Starke Kopplung von Molekülen mit einem räumlich begrenzten Lichtfeld führt zur Bildung neuer polaritonischer Eigenzustände des Systems, die sowohl molekulare als auch photonische Eigenschaften erhalten und somit ein großes Potenzial für Anwendungen in der Chemie und Optoelektronik besitzen. In dieser Arbeit wird die Kopplung zwischen Oberflächenplasmonen Polaritonen (SPPs), die als das räumlich begrenzte Lichtfeld agieren, und molekularen Anregungen wie Schwingungen und polaronischen Resonanzen untersucht. Das starke Kopplungsregime zwischen einer Molekülschwingung und einem SPP wird zum ersten Mal im mittleren Infrarot unter Verwendung der Carbonylschwingung von Poly(vinylmethylketon) Polymer und Silber als Ausbreitungsmedium von SPPs demonstriert. Die neu gebildeten Hybridmoden werden durch Experimente und numerische Modellierung untersucht, wobei Messungen der abgeschwächten Totalreflexion und der thermischen Emission sowie Berechnungen mittels der Transfermatrix und der linearen Dispersionstheorie verwendet werden. Ein Anticrossing in der Dispersion der Polariton-Zweige mit einer Energieaufspaltung bis zu 15 meV, was die Hauptsignatur des starken Kopplungsregimes ist, wird beobachtet. Die starke Kopplung mit Zinkgalliumoxid, einem hochdotierten Halbleiter als Alternative zu Edelmetallen, wird auch untersucht. Experimentelle und simulierte Reflektometrie-Spektren sowie Dispersionsrelationen werden diskutiert, um Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Systems zu ziehen. Außerdem wird ein Ansatz zur Verbesserung der Leitfähigkeit organischer Halbleiterpolymere durch starke Kopplung ihrer polaronischen Zustände an SPPs vorgestellt und Leitfähigkeitsmessungen durchgeführt. Ziel ist es, die Delokalisierung der Hybridzustände auszunutzen, um die Leitfähigkeit zu verändern. Die präsentierten Ergebnisse bieten neue Einblicke in den Nutzen der Eigenschaften der Licht-Materie-Hybridisierung, um ihr volles Potenzial für verschiedene Bereiche und Anwendungen zu erforschen. / Strong coupling of molecules with a confined light field results in the formation of new polaritonic eigenstates of the system called polaritons that inherit both molecular and photonic characteristics and thus holds strong potential for applications in chemistry and optoelectronics. In this work, coupling between propagating surface plasmon polaritons (SPPs), as confined light field, and molecular excitations, such as vibrational resonances and polaronic features, is investigated. The strong coupling regime between a molecular vibration and a propagating SPP is demonstrated for the first time in the mid-infrared spectral range using the carbonyl stretch vibration of Poly(vinyl methyl ketone) polymer and silver as metallic medium for SPPs propagation. The newly formed hybrid modes are investigated through experiments and numerical modelling, employing attenuated-total-reflection and thermal emission measurements as well as transfer-matrix and linear dispersion theory calculations. An anticrossing behavior in the dispersion of the polariton branches with an energy splitting up to 15meV, which is a key signature of the strong coupling regime, is observed. Strong coupling involving zinc gallium oxide, which is a highly doped semiconductor, as an alternative to noble metals is also investigated. Experimental and simulated reflectometry spectra as well as the dispersion relations are discussed so as to draw conclusions about the properties of the system. Furthermore, an approach to enhance the conductivity of organic semiconductor polymers by strongly coupling their polaronic states to SPPs is presented and four-point probe measurements are conducted. The goal is to exploit the delocalization of the hybrid states to alter the conductivity of the organic semiconductor. The results presented in this thesis provide new insights into the profit from the properties of light-matter hybridization in order to explore its full potential for several areas and applications.

Vor dem Hintergrund zunehmender Wärmedämmmaßnahmen im Wohnungsbau, das heißt sinkender Heizlasten, und gleichzeitigem Bestreben nach Netzausbau und –verdichtung steht die Fernwärmeversorgung neuen Problemstellungen gegenüber. Es gilt Lösungsansätze für das Spannungsfeld niedriger Liniendichten, steigender Brennstoffpreise und der Forderung nach erneuerbaren Energien in der Wärmeversorgung zu entwickeln. Die vorliegende Arbeit untersucht in einer vergleichenden Simulationsstudie diverse Fahrweisen der Fernwärmeversorgung auf unterschiedlichen Temperaturniveaus. Befindet sich die Fernwärmevorlauftemperatur unter der aus Gründen des Legionellenschutzes notwendigen Temperatur der Trinkwassererwärmung, erfolgt eine dezentrale Nacherwärmung. Diese geschieht innerhalb der sogenannten LowEx-Fahrweise mittels elektrischen Heizstabs oder einem Wärmepumpen-Speicherladesystem mit Wärmequelle Fernwärme. Als Referenzsysteme finden die als Konventionelle-Fahrweise mit Speicherladesystem und die als Niedertemperatur-Fahrweise mit Wohnungsanschlussstation im Durchflussprinzip bezeichneten Betriebsweisen Anwendung. Neben der Senkung der Netzwärmeverluste und ggf. einer Steigerung der Erzeugungswirkungsgrade ermöglicht die LowEx-Fahrweise die dezentrale Einspeisung von Abwärme oder erneuerbaren Energien bei effizientem Betrieb der Energiebereitstellungsanlagen. Das Fernwärmenetz dient damit der gekoppelten Wärmeversorgung und auch Wärmeentsorgung. Beispielhaft wird die Abwärmeeinspeisung von Klimakälteprozessen mit sowohl Kompressionskälteanlagen als auch Absorptionskältenlagen untersucht. Anhand Solarthermie wird das Für und Wider der Einspeisung erneuerbarer Energien hinsichtlich der Senkung des Primärenergiebedarfs und der Verdrängung von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen diskutiert. Die Analysen erfolgen mit Hilfe modifizierter und neu entwickelter Modelle in der Simulationsumgebung TRNSYS-TUD.

Gas migration in saturated argillaceous rock is studied in this work. Dependent on the pressure level the gas transport process is controlled by different mechanisms. Gas injection tests have been carried to investigate the gas transport process in low permeable argillaceous rock. We focus on the Opalinus Clay, which has been widely researched and is important for searching possible host rock of the radioactive waste disposal. Gas injection tests at different scales (laboratory, in-situ borehole and in-situ tunnel test) are intensively investigated in this work. The measurements of the tests are analysed and interpreted with numerical modelling method. A coupled multi-phase flow and mechanical model has been developed and implemented in the scientific computed codes OpenGeoSys (OGS). In the applied numerical model the relationship between capillary pressure and water saturation degree is described with van Genuchten model. The Darcy’s law is used for the phase flux, and the relative permeability of both water and gas phase is considered. The deformation process is calculated with elastic perfect-plastic model. The anisotropic hydraulic and mechanic behaviours of the Opalinus Clay are involved in the numerical model. The hydraulic anisotropy is controlled by the permeability tensor. The elastic deformation process is modelled by generalized Hooke’s law. The plastic behaviour is calculated with return mapping algorithm, and the anisotropy is considered with a so called microstructure tensor method. The permeability change during the gas injection is described using pressure dependent or deformation dependent approach. With considering the permeability evolution the measured data can be in the numerical model quantitatively represented, and test observations can be interpreted. Under laboratory condition it can be determined that the specimen permeability is reduced during compression. The significant permeability increase takes places when the gas injection pressure higher than the confining pressure. By the in-situ tests damage zone can be generated due to the drilling of boreholes and tunnel. The highly permeable areas dominate the hydraulic process. Fluid flows through the damaged zone into the not sealed section, e.g. the seismic observation boreholes by the in-situ borehole tests and the section out of the megapacker by the in-situ tunnel tests. In this work, the two phase flow controlled and pathway dilatancy controlled gas migration mechanisms are successfully simulated. The developed numerical model can be used to investigate the gas injection tests at different scales and conditions.

The electrocatalytic splitting of water is recognized to be the most sustainable and clean technology for the production of hydrogen (H₂). Unfortunately, the efficiency is seriously restricted by the sluggish kinetics of the oxygen evolution reaction (OER) at the anode. In contrast to the OER, the electrooxidation of organic compounds (EOO) is more thermodynamically and kinetically favorable. Thus, the coupling of the EOO and hydrogen evolution reaction (HER) has emerged as an alternative route, as it can greatly improve the catalytic efficiency for the production of H₂. Simultaneously, value-added organic compounds can be generated on the anode through electrooxidation upgrading. In this Minireview, we highlight the latest progress and milestones in coupling the EOO with the HER. Emphasis is focused on the design of the anode catalyst, understanding the reaction mechanism, and the construction of the electrolyzer. Moreover, challenges and prospects are offered relating to the future development of this emerging technology.

Die Simulation von diskretisier QCD hat sich zu einem sehr erfolgreichen Verfahren entwickelt, um nicht-perturbativen Berechnungen durchzuführen. In dieser Arbeit untersuchen wir im Detail die Zeit-Momente schwerer Quark-Korrelatoren mit hoher Präzision. Diese werden verwendet, um die QCD-Kopplung durch den Vergleich von Gitter- und Störungsberechnungen zu extrahieren. Dabei müssen diese Observablen von Energien dominiert werden, bei denen beide Methoden angewendbar sind. Genaue Abschätzungen der systematischen Unsicherheiten ist notewendig, da dies Auswirkungen auf Berechnungen von, z.B., Higgs-Zerfällen zu b-Quarks oder Gluonen und Z-Bosonen-Partialbreiten haben. Wir führen eine quenched Untersuchung der Zeitmomente durch, um im großen Volumen mit L=2fm und T=6fm mit offenen Randbedingungen, Gitterabständen von bis ca. 0.01 fm zu erreichen. Wir berechnen Momente und dabei die Kopplung und den Trunkierungsfehler für wechselnde Energie von 0.8 bis 3.5 Mal die charm Masse. Um die großen Diskretisierungseffekte zu kontrollieren, verwenden wir ein nicht-perturbativ verbessertes Wilson-Clover-Fermionen-Dublett mit einem twisted mass Term. Neben der Kopplung untersuchen wir auch ihren Verlauf bis zur unendlichen Energie, kodiert im Lambda-Parameter, und die darin enthaltenen Trunkierungsfehler. Der extrahierte Lambda-Parameter bei Energieskalen von 2 Mal die Charmmasse weist, in Bezug auf step-scaling Ergebnisse, Abweichungen in der Größenordnung von 5% bis 10% auf. Eine Extrapolation bis zum Nullwert der Kopplung ist möglich, allerdings mit einer beträchtlichen Steigung. Weitverbreitete Variationen der perturbativen Renormierungsskala zur Abschätzung des Trunkierungsfehlers scheinen hier die tatsächliche Größe der Fehler zu unterschätzen. Bei der Verwendung der Störungstheorie hoher Ordnung auf den Skalen der Flavor-Physik für die Momente der Korrelatoren schwerer Quarks ist Vorsicht geboten, da große Trunkierungsfehler auftreten können. / The simulation of discretized QCD has become a very successful method to perform non-perturbative calculations. In this work we study in detail the time-moments of heavy quark correlators with high precision. These are used to extract the QCD coupling by comparing lattice and perturbative calculations. These observables must be dominated by energies at which both methods are applicable. Accurate estimates of the systematic uncertainties are needed as this has implications for calculations of, e.g., Higgs decays to b-quarks or gluons and Z-boson partial widths. We carry out a quenched investigation of the time-moments in order to achieve lattice spacings of down to approx. 0.01 fm in large volume, L=2fm and T=6fm, with open boundary conditions. We calculate moments and thereby the coupling and the truncation error for varying energy from 0.8 to 3.5 times the charm mass. To control the large discretization effects, we use a non-perturbatively enhanced Wilson-Clover fermion doublet with a twisted mass term. In addition to the coupling, we also study its evolution to infinite energy, encoded in the lambda parameter, and the truncation errors therein. The extracted lambda parameter at energy scales of 2 times the charm mass shows deviations in the order of 5% to 10% with respect to step-scaling results. Extrapolation to the zero value of the coupling is possible, but with a considerable slope. Widespread variations of the perturbative renormalization scale to estimate the truncation error seem to underestimate the actual size of the errors here. Care should be taken when using high-order perturbation theory on the scales of flavor physics for the moments of heavy quark correlators, as large truncation errors can occur.

Das Jahr 2000 wird oft als Meilenstein der Entwicklung der Humangenetik bezeichnet. Eine Relevanz für die praktische Medizin erlangt das Humangenom-Projekt jedoch erst, wenn die Funktion der einzelnen Gene in komplexen physiologischen Systemen und die genetische Variabilität aufgeklärt sind. Die hier vorgelegten Studien beruhen auf der Annahme, dass der Einfluss genetischer Variabilität nicht nur im Vergleich kranker und gesunder Menschen sichtbar wird, sondern auch in der Variabilität physiologischer Parameter in der Allgemeinbevölkerung nachweisbar ist. Grundlage aller Studien war eine medizinische Untersuchung von gesunden eineiigen und zweieiigen Zwillingspaaren. Es wurde für Kennwerte des Herz-Kreislauf-Systems die Stärke genetischer Einflüsse (Heritabilität) bestimmt. Weiterhin erfolgten Kopplungs- und Assoziationsanalysen mit ausgewählten Kandidatengenen. Der Einfluss spezifischer Gene auf die Blutdruckregulation, die Herzgröße, EKG-Parameter sowie Blutfette konnte nachgewiesen werden. Weiterhin wurde der prinzipielle Nachweis erbracht, dass die funktionelle Untersuchung einzelner Gene in unausgelesenen Stichproben realisierbar ist. / The year 2000 is often called a milestone in the history of human genetics. The knowledge of the sequence of the human genome will only become relevant for clinical medicine when the function of genes within complex physiological systems as well as the genetic variability will be revealed. The studies reported here are based on the assumption that the influence of genetic variability does not only become obvious by comparison of affected and unaffected subjects but is as well detectable in the variability of physiological parameters in the general population. All studies are based on testing healthy mono- and dizygotic twins. We determined the heritability of various cardiovascular parameters. Furthermore selected candidate genes were tested by linkage and association analyses. We could demonstrate the influence of specific genes on blood pressure regulation, heart size, ECG and lipids. These studies are a proof of principle for the functional analysis of single genes in unselected random samples.

Zirkadiane Uhren sind Zell-autonome Oszillatoren. Aus diesem Grund ist deren interzelluläre Kopplung essentiell, um die Synchronität zirkadianer Oszillatornetzwerke zu erhalten und die Störung zirkadianer Gewebsfunktionen zu verhindern. Neuronale Oszillatoren des Nucleus suprachiasmaticus (SCN), der Schrittmacher-Uhr im Zentralnervensystem der Säugetiere, koppeln interzellulär und über den Austausch sekretierter Neurotransmitter. Die Fähigkeit zirkadianen Oszillatoren peripherer Gewebe interzellulär zu koppeln ist hingegen stark umstritten und molekulare Mechanismen sind unbekannt. In dieser Dissertation zeigen wir, dass periphere Oszillatoren in der Tat interzellulär über den Austausch sekretierter Signalmoleküle koppeln und identifizieren TGF-b als peripheren Kopplungsfaktor. Weiterhin zeigen wir, dass TGF-b die cAMP Enhancer-Motiv abhängige, als auch Immediate Early Expression des Uhr-Gens PER2 induziert und folglich die Phasenanpassung molekularer zirkadianer Oszillationen reguliert. Genetische und pharmakologische Störeinflüsse verursachen die Dysregulation des TGF-b Signalweges und begünstigen die Desynchronisierung zellulärer Oszillatoren, welche sich in Amplitudenreduktion und verstärkter Sensitivität gegenüber Zeitgeber-Signalen äußert. Die in dieser Dissertation präsentierten Ergebnisse, legen einen bisher unbekannten molekularen Mechanismus intrazellulärer Kopplung peripherer zirkadianer Oszillatoren dar und eröffnen neue Perspektiven auf die Bedeutung der Synchronität peripher zirkadianer Uhren für rhythmische Organfunktionen und zirkadiane Gesundheit. / Circadian clocks are cell-autonomous oscillators. Intercellular coupling is crucial to prevent desynchronization of oscillator networks and thus, the disruption of circadian tissue functions. While neuronal oscillators within the mammalian central clock, the suprachiasmatic nucleus (SCN), couple intercellularly via the exchange of secreted neurotransmitters, intercellular coupling among peripheral oscillators is highly debated and molecular mechanisms are unknown. Here, we show that peripheral circadian oscillators couple intercellularly via exchange of secreted signaling molecules and identify TGF-ß as peripheral coupling factor. TGF-ß signaling induces the cAMP response element dependent, immediate-early expression of the clock gene PER2, thereby phase-adjusting the molecular circadian oscillator. Genetic or pharmacologic disruption of TGF-ß signaling causes desynchronization of cellular oscillators resulting in amplitude reduction and increased sensitivity towards Zeitgeber cues. Our findings reveal a previously unknown mechanism of peripheral coupling and open new perspectives on the importance of peripheral clock synchrony for rhythmic organ functions and circadian health.

This thesis focuses on analyzing the synchronization of time delays between mutually coupled phase-locked loops (PLLs) in a flat hierarchy. Mutual synchronization refers to decentralized synchronization where there is no primary or secondary unit or control source. Consequently, it is an inherently self-organizing system in which each unit has equal rights, making it a democratic system. In this research, a dynamic nonlinear time-domain model is used to describe mutually delayed coupled oscillators. The predictions of this model are evaluated against experimental measurements. The time-domain model is based on the Kuramoto model. The Kuramoto model describes a network of coupled oscillators. As a first impression, this Kuramoto model is first analyzed for understanding of the effects of time delays between oscillators. The time domain model is based on a conventional PLL architecture modified to allow mutual coupling. The modifications include a circuit section that sums and weights all incoming phase differences. Overall, the measured results of this research study are in good agreement with the theoretical predictions of the time-domain model. The analysis allows the identification of the transient dynamics and the mechanisms that lead to mutual coupling and the formation of synchronized states through self-organized synchronization. The results show that the mutual coupling can self-organize its dynamics to synchronize even at time delays where the phenomenon of multistability of synchronized states occurs. A critical time delay beyond which a stable synchronized state cannot be achieved has been identified. The work also analyzes the dynamics and noise of synchronized states and finds that the dynamics near a synchronized state are correlated due to mutual coupling, leading to a reduction in noise. The noise correlation is affected by the direction of coupling, the number of nodes in the network, and the network topology. An improvement in phase noise of up to 14.42 dBc/Hz at 100 kHz offset from the carrier and 49.47ns delay was achieved using all-to-all coupling with four nodes. Furthermore, the hybrid approach, the combination of hierarchical and self-organizing synchronization architectures, is investigated. The dissertation presents an experimental study to understand how this affects a network of mutually delayed delay-coupled oscillators and whether the network of mutually coupled nodes can be abstracted as a secondary oscillator. A range in which the mutually delay-coupled network can be successfully synchronized by an external reference oscillator, depending on the synchronized state, is identified. In summary, this thesis provides valuable insights into the properties of mutually delay-coupled PLLs and their synchronization in flat hierarchies, and contributes to the understanding, design, and optimization of more practical networks of mutually delayed PLLs.:Abstract/Zusammenfassung Symbols and Abbreviations Previous Publications 1 Introduction 1.1 Classifications of Synchronization 1.2 A Historical Perspective on Mutual Synchronization 1.3 Extending the Understanding of Mutual Synchronization 1.4 Definitions and Methodologies 2 Model of Networks of Mutually Coupled PLLs 2.1 Coupled Oscillators – Kuramoto Model 2.1.1 Consequences of a Time Delay between Oscillators 2.1.2 Arbitrary Time Delays between Oscillators 2.2 Time-Domain Model of Delay-Coupled PLLs 2.2.1 Phase Detection 2.2.2 Loop-Filter 2.2.3 Voltage Controlled Oscillator 2.3 Prediction and Stability Analysis of Synchronized States 2.3.1 Assessing the Linear Stability of Synchronized States 2.3.2 Stability Consideration for Two Identical PLL Nodes 2.3.3 The Notion of Mode Locking 2.3.4 Effects of Heterogeneity on Synchronized States 2.4 Dynamics and Noise in Synchronized States 2.4.1 Gain and Phase Margin of a PLL Node 2.4.2 Phase Noise 2.5 Key Findings of the Theoretical Model 3 Design of Phase-Locked-Loops for Mutual Synchronization 3.1 PLL Nodes Dedicated for Mutual Synchronization 3.1.1 Phase Detection Circuitry 3.1.2 Adder Chain 3.2 Additional Circuitry for Implementing a Time Delay 4 Experimental Analysis of Mutually Time-Delayed Coupled PLLs 4.1 Synchronized States Including Oscillator Nonlinearity 4.2 Stability of Multistable Synchronized States 4.3 Critical Time Delay Between Two Coupled Nodes 4.4 Combining Hierarchical and Flat Synchronization Concepts 4.4.1 Entrainment of a Chain Network Topology 4.4.2 Entrainment of a Ring Network Topology 4.5 Heterogeneous Time Delays between Coupled PLLs 4.6 Phase Noise Analysis of Time Delay Coupled PLLs 4.6.1 Phase Noise for Two Mutually Coupled Nodes 4.6.2 The Impact of Coupling Directionality 4.6.3 Long Term Frequency Stability 4.6.4 Effect of Time Delay on Phase Noise 4.6.5 Network Topology Dependency on Phase Noise 5 Conclusion and Future Prospects Bibliography Own Publications – Periodicals Own Publications – Conference Proceedings Co-Authored Publications Other References List of Figures List of Tables Acknowledgement Curriculum Vitae / Diese Arbeit befasst sich mit der Analyse der Auswirkungen von Zeitverzögerungen auf die Synchronisation von gegenseitig gekoppelten Phasenregelschleifen (engl. phase-locked loop (PLL)) in einer flachen Hierarchie. Gegenseitige Synchronisation bezieht sich auf eine dezentrale Synchronisation, bei der es keine primäre oder sekundäre Einheit oder Steuerquelle gibt. Folglich ist es ein inhärent selbstorganisierendes System, in dem jede Einheit gleichberechtigt ist, was es zu einem demokratischen System macht. Für die Untersuchung wird ein dynamisches nichtlineares Zeitbereichsmodell verwendet, um gegenseitig verzögert gekoppelte Oszillatoren zu modellieren und die Vorhersagen dieses Modells anhand experimenteller Messungen zu bewerten. Dieses Zeitbereichsmodell basiert auf dem sogenannten Kuramoto-Modell, das ein Netzwerk gekoppelter Oszillatoren beschreibt. Um einen ersten Eindruck zu erhalten, wird zunächst dieses Kuramoto-Modell analysiert, um die Auswirkungen von Zeitverzögerungen zwischen den Oszillatoren zu verstehen. Das Zeitbereichsmodell basiert auf einer konventionellen PLL-Architektur, die modifiziert wurde, um eine gegenseitige Kopplung zu ermöglichen. Die Modifikationen beinhalten einen Schaltungsteil, der alle eingehenden Phasendifferenzen summiert und gewichtet. Die gemessenen Ergebnisse dieser Untersuchung stimmen insgesamt gut mit den theoretischen Vorhersagen des Zeitbereichsmodells überein. Die Analyse erlaubt es, die transiente Dynamik und die Mechanismen zu identifizieren, die zur gegenseitigen Synchronisation und zur Bildung synchronisierter Zustände durch selbstorganisierte Synchronisation führen. Die Ergebnisse zeigen, dass selbst bei Zeitverzögerungen, bei denen das Phänomen der Multistabilität synchronisierter Zustände auftritt, die gegenseitige Kopplung ihre Dynamik selbst organisieren kann, um sich zu synchronisieren. Die Untersuchung identifizierte eine kritische Zeitverzögerung, bei der kein stabiler synchronisierter Zustand erreicht werden kann. Die Arbeit analysiert auch die Dynamik und das Rauschen von synchronisierten Zuständen und stellt fest, dass die Dynamik in der Nähe eines synchronisierten Zustands aufgrund der gegenseitigen Kopplung korreliert ist, was zu einer Reduktion des Rauschens führt. Die Richtung der Kopplung und die Anzahl der Knoten im Netzwerk sowie die Netzwerktopologie beeinflussen die Korrelation des Rauschens. Eine Verbesserung des Phasenrauschens von bis zu 14.42 dBc/Hz bei einem Versatz von 100 kHz zum Träger und einer Verzögerung von 49.47 ns wurde durch eine globalen oder All-to-All-Kopplung mit vier Knoten erreicht. Des Weiteren wird der hybride Ansatz, die Kombination von hierarchischen und selbstorganisierenden Synchronisationsarchitekturen, untersucht. Die Arbeit präsentiert eine experimentelle Studie, um zu verstehen, wie dies ein Netzwerk von gegenseitig verzögert gekoppelten Oszillatoren beeinflusst und ob das Netzwerk von gegenseitig gekoppelten Knoten als sekundärer Oszillator abstrahiert werden kann. Dabei wird eine vom synchronisierten Zustand abhängige Domäne identifiziert, in der das wechselseitig gekoppelte Netzwerk durch einen externen Referenzoszillator erfolgreich synchronisiert werden kann. Insgesamt liefert diese wissenschaftliche Arbeit wertvolle Erkenntnisse über die Eigenschaften von gegenseitig verzögerungsgekoppelten PLLs und deren Synchronisation in einer flachen Hierarchie und trägt zum Verständnis, zum Entwurf und zur Optimierung von praktisch realisierten Netzwerken gegenseitig verzögerungsgekoppelter PLLs bei.:Abstract/Zusammenfassung Symbols and Abbreviations Previous Publications 1 Introduction 1.1 Classifications of Synchronization 1.2 A Historical Perspective on Mutual Synchronization 1.3 Extending the Understanding of Mutual Synchronization 1.4 Definitions and Methodologies 2 Model of Networks of Mutually Coupled PLLs 2.1 Coupled Oscillators – Kuramoto Model 2.1.1 Consequences of a Time Delay between Oscillators 2.1.2 Arbitrary Time Delays between Oscillators 2.2 Time-Domain Model of Delay-Coupled PLLs 2.2.1 Phase Detection 2.2.2 Loop-Filter 2.2.3 Voltage Controlled Oscillator 2.3 Prediction and Stability Analysis of Synchronized States 2.3.1 Assessing the Linear Stability of Synchronized States 2.3.2 Stability Consideration for Two Identical PLL Nodes 2.3.3 The Notion of Mode Locking 2.3.4 Effects of Heterogeneity on Synchronized States 2.4 Dynamics and Noise in Synchronized States 2.4.1 Gain and Phase Margin of a PLL Node 2.4.2 Phase Noise 2.5 Key Findings of the Theoretical Model 3 Design of Phase-Locked-Loops for Mutual Synchronization 3.1 PLL Nodes Dedicated for Mutual Synchronization 3.1.1 Phase Detection Circuitry 3.1.2 Adder Chain 3.2 Additional Circuitry for Implementing a Time Delay 4 Experimental Analysis of Mutually Time-Delayed Coupled PLLs 4.1 Synchronized States Including Oscillator Nonlinearity 4.2 Stability of Multistable Synchronized States 4.3 Critical Time Delay Between Two Coupled Nodes 4.4 Combining Hierarchical and Flat Synchronization Concepts 4.4.1 Entrainment of a Chain Network Topology 4.4.2 Entrainment of a Ring Network Topology 4.5 Heterogeneous Time Delays between Coupled PLLs 4.6 Phase Noise Analysis of Time Delay Coupled PLLs 4.6.1 Phase Noise for Two Mutually Coupled Nodes 4.6.2 The Impact of Coupling Directionality 4.6.3 Long Term Frequency Stability 4.6.4 Effect of Time Delay on Phase Noise 4.6.5 Network Topology Dependency on Phase Noise 5 Conclusion and Future Prospects Bibliography Own Publications – Periodicals Own Publications – Conference Proceedings Co-Authored Publications Other References List of Figures List of Tables Acknowledgement Curriculum Vitae

Im Projekt wurde eine alternative Speicherkonstruktion im Bereich von 500 bis 6000 m3 für den Betrieb in Solar- und Fernwärmesystemen entwickelt. Ausgangspunkt bilden große Kaltwasserspeicher in Segmentbauweise. Die Bautechnologie bietet ein signifikantes Kostenreduktionspotenzial gegenüber geschweißten Flachbodentanks, konnte bisher aber nicht auf Wärmespeicher übertragen werden. Aufgrund der dünnwandigen Bauweise und der Projektziele musste eine Überarbeitung des Wandaufbaus, der Einbauten und der Peripherie erfolgen. Dieser Bericht liefert eine Beschreibung des Speicher-Systems und die Ergebnisse des Verbundvorhabens. Die Funktionsfähigkeit wurde mit einem dreistufigen Verfahren nachgewiesen. Das geplante Vorgehen mit Laborversuchen im kleinen Maßstab bis zum Test mit einem Demonstrator im Realmaßstab (100 m3) war notwendig und zielführend. Die Bearbeitung der Hauptaufgaben (z. B. Materialuntersuchungen, Konstruktion, Betrieb) erfolgte vernetzt durch die beteiligten Forschungsinstitutionen. Das grundlegende Potenzial für eine spätere Anwendung in solaren Nahwärmesystemen oder Sekundärnetzgebieten der klassischen Fernwärme sind gegeben. Vor allem im Bereich der Beladung und im Wandaufbau konnten große Verbesserungen erzielt werden. Weitere Optimierungen und die Umsetzung mit größeren Speichern stehen noch aus. / In the project, an alternative construction for thermal energy stores in the range of 500 to 6000 m3 was developed for operation in solar and district heating systems. Large cold water storage tanks in segmental construction are the starting point. Their construction technology offers a significant potential for cost reduction compared to welded flat-bottom tanks, but could so far not be transferred to hot water storage tanks. Due to the new design and the project objectives, the wall structure, the internals and the periphery had to be completely revised. This report provides a description of the storage system and the results of the joint project. The functionality was proven with a three-stage procedure. The planned procedure with laboratory tests on a small scale up to the test with a demonstrator on a real scale (100 m3) was necessary and purposeful. The main tasks (e.g. material testing, design, operation) were carried out by the participating research institutions in a network. The basic potential for a later application in solar local heating systems or secondary network areas of conventional district heating is given. Significant improvements were realized, especially in regard of the charging system and the wall construction. However, further optimizations and the transfer to larger storage tanks is still pending.

Recently observed cumulation of unexpected collapses of slope-distant waste dumps in lignite mining areas of eastern germany re-initiated research of soil liquefaction. Especially it turned the question of internal initials that correspond to water rise. Parallel to laboritory tests and field experiments a micromechanical model should be developed, which can reproduce processes in the soil during saturation. In first approximation a partly saturated soil consists of two phases: the soil particles and the pore fluid. For micromechanical modeling a coupling of discontinuum particles) and continuum (fluid) is required. The soil particles can be simulated with the Discrete-Element-Method (DEM). For the pore fluid, which is assumed to be a mixture of liquid and gaseous fractions, Pore scale model with Finite Volumes (PFV) is used. At low water content liquid bridges (meniscii) arise between the particles that cause an apparent cohesion. The effect of the meniscii is considered by a correspondingly contact law in the DEM model. During the saturation of a soil both, cohesive effect and fluid bulk modulus, are reduced. In addition buoyancy acts on the particles during the process. The micromechanical modeling approach has the advantage, that just a few model parameters are needed. The numerical model shows pore fluid pressures during saturation process, that leads to a reduction of effective stress. It is investigated how much the reduction is regarding porosity, degree of saturation, stress conditions and grain shape. Furthermore the influence of model parameters as well as hydromechanics is investigated. The investigations are completed with another series of experiments under special conditions like integration of macropores, horizontal fixed model boundaries and abrupt saturation.