Active membranes with switchable pores that are based on hydrogels can be used to measure the cell size distribution in blood samples. The system investigated in the present research is based on a polyethylene terephthalate (PET) membrane that is surface polymerized with poly (N-isopropyl acrylamide) (PNiPAAm) to form active pores of arbitrary geometry. The PET membrane provides the functionality of a backbone for mechanical rigidity, while the soft PNiPAAm hydrogel forms the active pores. Modeling and simulation of the active hydrogel behavior proved to adequately predict the opening and closing of the pores under application of an activating stimulus, e.g. temperature. The applied model is called Temperature-Expansion-Model and uses the analogy of thermal expansion to model the volume swelling of hydrogels. The Normalized Extended Temperature-Expansion-Model can englobe arbitrary hydrogels and large geometric displacements. Studies of pore opening - performed by using commercial finite element tools - show good agreement of the experimentally measured shape change of active pores. Based on these studies, the particulate fluid flow through the switchable pores is analyzed. Through application of a membrane process, i.e. a given variation of applied pressure and switching stimulus for the hydrogel, the size profile of the blocking particles can be measured directly using the flux difference under constant pressure. This allows the measurement of the cell size distribution in blood samples, e.g. to detect circulating tumor cells or anomalies in the distribution that hint to anemia.

An environment is defined by a set of field values, such as temperature, electro-magnetic field, light intensity, air humidity and air composition. Smart materials, such as hydrogels, are able to react to these kinds of stimuli. The spatial and time development of environmental values is governed by transport equations. Hence the reaction, i.e. actuation or sensing, of the smart material can be described based on the same assumptions. The displacement, here swelling and deswelling, of the material depends on the combination of the environmental parameters. Smart materials are called multi-sensitive, when more than one parameter is purposely used (i) to manipulate the material, i.e. as an actuator or (ii) to measure the quantities, i.e. as a (multi-)sensor. However, the material can also perform (iii) the objective of a logic processing unit in addition to (i) and (ii). In the current work, we present a device that realizes this concept: An automatic window opener that senses environmental parameters (light-level and air temperature) and reacts accordingly. The hydrogel material that is included in the simplistic device simultaneously acts as sensor, logic processing unit and actuator.

Die schaltbare Filtration mithilfe von Hydrogel'=Verbundmembranen zeigt großes Potential zur Lösung einer der grundlegenden Aufgaben in der Humanmedizin: der unkomplizierten und schnellen Analyse von Blutproben zur Erkennung von Unregelmäßigkeiten, wie zum Beispiel zirkulierenden Tumorzellen. In der vorliegenden Arbeit wird ein solches System diskutiert und mithilfe von Methoden des Maschinenwesens -- Modellierung und Simulation -- untersucht. Das betrachtete System besteht aus einer aktiven Hydrogelschicht, welche auf einer passiven Polymerschicht aufgebracht ist und damit eine schaltbare Verbundmembran bildet. Die Arbeit folgt zwei Hauptpfaden: Im festkörpermechanischen Teil werden die mechanischen Aspekte von Verbundmembranen dargestellt, während im fluidmechanischen Teil die Permittivität und Selektivität von Membranen näher beleuchtet werden. Im Folgenden werden Modelle zur Schaltbarkeit ausgehend von aus der Literatur bekannten Ansätzen entwickelt. Diese werden dann im Rahmen von Simulationen -- sowohl im kommerziellen Finite-Elemente-Programm Abaqus, als auch in selbst geschriebenen Matlab-Codes -- umgesetzt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass ein schaltbares System zur Analyse von Zellgrößenprofilen realisierbar und durch Modellierung und Simulation in einem Maß beschreibbar ist, sodass der experimentellen Realisierung nichts mehr im Wege steht. / Switchable filtration with hydrogel composite membranes shows great potential to solve one of the basic challenges in life sciences: the fast and easy analysis of blood samples to detect abnormal cells like e.g. circulating tumor cells. In the present work, a system providing these features is discussed using tools provided by engineering: modeling and simulation. The system consists of an active hydrogel composite membrane in combination with a passive polymeric membrane that provides mechanical stability. This forms a switchable composite membrane. The work follows two main paths: In the solid mechanics path, the composition of membranes and their mechanical aspects are discussed. The fluid mechanics path focuses on permittivity and selectivity for particle flows. Originating from the basic concepts of membrane permeation in literature, models for switchability are developed and simulations -- both in the commercial finite-element tool Abaqus and in Matlab scripts -- are performed. The present work proves that the concept of cell-size detection with switchable membranes is suitable for the task. Through the performed simulations, the corresponding processes can be described and designed so that the microfluidic analysis system can be experimentally realized.

We introduce and demonstrate a simple and efficient method for simulating mixtures of legacy and autonomous trains. The method generalises an earlier simulation that we developed for legacy-only operations, in which trains run according to fixed-block signalling rules. Autonomous trains, which use moving-block signalling rules, are incorporated into this framework by employing an overlapping set of short virtual fixed-blocks. Safe occupancy is then maintained by using shadowing rules that link the two sets of blocks. The paper gives relevant rail background, details of the proposed simulation rules, and demonstrates exemplar solution trajectories. The simulation technique is validated both in terms of maintaining safe occupancy and providing a close approximation of the true continuous-space dynamics of autonomous leader-follower pairs. At the Dresden meeting, a variety of interesting mixed-fleet capacity results will also be presented.

Switchable hydrogel-layered composite membranes can be used for the analysis of particle size distributions. This functionality is provided by pores with controllable diameter. In order to obtain a device that can be used to measure the cell size distribution in native biological samples, lots of switchable pores are required. In the current work, we model and simulate the mechanical behavior of active composite membranes with switchable pores. This is done in order to find the maximum number of pores that can be integrated into a membrane without cross-influencing effects on the actuation of the pores. Therefore, we investigate (1) the interaction of active pores inside the multifunctional composite and (2) the membrane bending under microfluidic pressure load. We show that through miniaturization, sufficient pores can be added to a permeation control membrane for processing native blood samples. The envisioned device allows a parallelized measurement of cell sizes in a simple lab-on-a-chip setup.

For everyday cycling, one needs to carry rainproof clothing just for the case of unexpected downpours. In the present research, we present a concept for a helmet which is automatically rainproof when the rain starts. When the sun comes out, the helmet is breathable again even before it completely dries up. This functionality is provided by active hydrogel meshes. Hydrogel meshes offer great advantages due to their ability to change the aperture size with swelling and deswelling. In our current work, we present the design and modeling steps for hydrogel-layered active meshes which use (i) swelling and deswelling in hydrated state and (ii) swelling starting from the dry state. The main goal is to close the air openings of a bicycle helmet when rain starts as an automatic rainproofing. This can be achieved through the swelling of the hydrogel pNiPAAM-co-chlorophyllin in the meshes, which leads to closing when hydrated. At the same time, the light-sensitive behavior leads to opening of the apertures under direct sun exposure, i.e. when the sun appears again after the rain. We present the steps of modeling and design using the Normalized Extended Temperature-Expansion-Model (NETEM) to perform simulations in Abaqus. The model is capable of describing both the swelling of the hydrogel under light stimulus and the volume change due to hydration. It is based on the analogy between free swelling and thermal expansion and defined for nonlinear displacements. We also discuss the fabrication process of hydrogel-layered fibers and challenges in their application and simulation. As a proof of concept for hydrogel-layered meshes, we show preliminary experimental results of a poly(acrylamide)/poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid) (PAAm/PAMPS) hydrogel with semi-interpenetrated network (SIPN) structure and its swelling capacities on a mesh. Starting from the active hydrogel meshes as presented in the current work, the next step can be smart textiles that harness the power of hydrogels: the adaptation to combinations of stimuli - like humidity, temperature and brightness - that define environments.

Switchable hydrogel-layered composite membranes can be used for the analysis of particle size distributions. This functionality is provided by pores with controllable diameter. In order to obtain a device that can be used to measure the cell size distribution in native biological samples, lots of switchable pores are required. In the current work, we model and simulate the mechanical behavior of active composite membranes with switchable pores. This is done in order to find the maximum number of pores that can be integrated into a membrane without cross-influencing effects on the actuation of the pores. Therefore, we investigate (1) the interaction of active pores inside the multifunctional composite and (2) the membrane bending under microfluidic pressure load. We show that through miniaturization, sufficient pores can be added to a permeation control membrane for processing native blood samples. The envisioned device allows a parallelized measurement of cell sizes in a simple lab-on-a-chip setup.

Mit den steigenden Anteilen der Wind- und Solarstromerzeugung als fluktuierenden erneuerbaren Energien (FEE) wurden in den vergangenen Jahren aus der Energiewirtschaft, der Wissenschaft und Politik Forderungen laut, die FEE im Interesse einer effizienteren Förderung „besser“ in die liberalisierten Strommärkte zu integrieren (sog. Marktintegration der EE). Gefordert wird u. a., dass die FEE in Zukunft ähnlich wie die thermischen Kraftwerke ihre Stromproduktion an den Preissignalen der Großhandels-Strommärkte ausrichten, um somit zum besseren Ausgleich von Angebot und Nachfrage beizutragen. In die Diskussion zur grundlegenden Reform des EEG 2014 wurde u. a. die Einführung einer fixen statt variablen Marktprämie, einer kapazitiven Vergütung sowie die wettbewerbliche Ausschreibung anstatt administrativer Förderhöhen eingebracht. Investitionen in FEE-Anlagen als kapitalintensive Technologien sehen sich jedoch bei verstärkter Marktintegration unter den heute vorherrschenden Marktbedingungen – die primär auf einen thermischen Kraftwerkspark ausgelegt sind - zunehmenden Investitions- und Betriebsrisiken ausgesetzt, die durch Risikoaufschläge bei Eigen- und Fremdkapital in die Investitionskosten eingepreist werden. Neben steigenden Preisrisiken durch stärkere Preisvolatilitäten bei höheren FEE-Anteilen ergeben sich in Abhängigkeit der Förderinstrumente jedoch auch neue Mengenrisiken, da mit der Einführung der FEE-Direktvermarktung diese bei entsprechend niedrigen Preisen marktgetrieben abgeregelt werden. Durch den bereits in der Vergangenheit nachgewiesenen Merit-Order-Effekt und den Marktwertverlust der FEE durch den sog. Gleichzeitigkeitseffekt, stellt sich damit die Frage, ob sich ein System mit hohen Anteilen an FEE zukünftig rein marktendogen auf Basis eines Grenzkostenmarktes refinanzieren lässt. Mit Hilfe des im Rahmen der Dissertation weiterentwickelten agentenbasierten Strommarktmodells AMIRIS wurden zur Beantwortung der Fragestellung unterschiedliche Szenarioanalysen durchgeführt und auf der Akteurs- und Systemebene ausgewertet. Die stündlich aufgelösten Simulationsläufe von 2015-2035 zur Entwicklung der Refinanzierungsbedingungen der FEE, der FEE-Marktwerte sowie der assoziierten Fördereffizienz zur Erreichung der FEE-Ziele bei Anwendung einer variablen oder fixen Markt- sowie Kapazitätsprämie kommen dabei zu dem Ergebnis, dass die Refinanzierung eines allein marktendogenen Ausbaus von FEE-Anlagen unter den Bedingungen eines grenzkostenbasierten Strommarktes nicht möglich ist. Dies liegt primär an den zunehmend marktgetrieben abgeregelten Strommengen sowie den Marktwertverlusten durch den Gleichzeitigkeitseffekt. Problem ist hierbei, dass keiner der Anlagenbetreiber zum Zeitpunkt der Investition realistisch abschätzen kann, welcher Anteil der meteorologisch erzeugbaren Strommenge sich letztendlich am Markt absetzen lässt. Denn die vermarktbaren Strommengen hängen nicht nur vom Förderinstrument, sondern vor allem von der zukünftigen Flexibilität im System ab. Hinzu kommt, dass sich im Referenzszenario mit keinem der diskutierten Instrumente auch nur annäherungsweise die EE-Ausbauziele bis 2035 erreichen lassen. Zusätzlich kommt es beim derzeit implementierten EE-Direktvermarktungssystem über die Strombörse mit Wettbewerb zwischen den dezentralen Direktvermarktern bei der variablen Marktprämie zu ineffizienten Abregelungsentscheidungen, da in diesem Förderregime der Anreiz besteht, die stromgestehungskostentechnisch günstigsten FEE-Anlagen als erstes abzuregeln. Mit zunehmendem Anteil der FEE-Einspeisung wird es zukünftig bei einem dezentralen Direktvermarktungssystem außerdem zu hohen Informationsasymmetrien und damit einer ineffizienten Preisbildung im Stromgroßhandel kommen. Dies liegt an der Unkenntnis anderer Marktteilnehmer über die dezentrale Entscheidung abzuregelnder FEE-Mengen. Ein zentrales Direktvermarktungssystem mit einem sog. ‚Single-Buyer‘-Konzept könnte hier Abhilfe schaffen. Entgegen der vorherrschenden ökonomischen Theorie erweist sich die variable Marktprämie jedoch in allen untersuchten Szenarien als dynamisch effizienter als eine fixe Marktprämie, die wiederum effizienter wirkt als eine variable und fixe Kapazitätsprämie. Den größten Einfluss auf die absoluten als auch relativen Marktwerte der FEE; haben neben den Förderinstrumenten in absteigender Reihenfolge vor allem neue Stromverbraucher (P2X), ein zentrales statt dezentrales Direktvermarktungssystem, ein gleichmäßigeres Ausbauverhältnis zwischen Wind- und PV-Anlagen, eine gleichmäßigere Verteilung der Windanlagen zwischen Nord- und Süddeutschland, der flexible Einsatz von Biomasseanlagen, der Einsatz von Strom-zu-Strom-Speichern und zu relativ kleinen Anteilen auch eine systemdienlichere Auslegung der Anlagen (Schwachwindanlagen). Bessere Anreize zur Hebung der Flexibilitätspotentiale und damit bessere Integrationsmöglichkeiten der FEE bietet die Integration über die Stromvertriebe statt über den Stromgroßhandel. / With the increasing shares of wind and solar power generation as variable renewable energies (VRE), demands have been made in recent years from the energy industry, science and politics to integrate the VRE 'better' into the liberalised electricity markets in the interest of more efficient promotion (so-called market integration of renewables). One of the demands is that the VRE, like thermal power plants, should in future align its electricity production with the price signals of the wholesale electricity markets in order to contribute to a better balance between supply and demand. The discussion on the fundamental reform of the EEG 2014 included the introduction of a fixed instead of a variable market premium, a capacitive remuneration and a competitive tendering procedure instead of administrative subsidy amounts. Investments in VRE plants as capital-intensive technologies, however, are exposed to increasing investment and operating risks under today's prevailing market conditions - which are primarily designed for a thermal power plant park - as a result of increased market integration. In addition to rising price risks due to greater price volatility in the case of higher VRE shares, there are also new volume risks, depending on the support instruments used, as the introduction of VRE direct-marketing means that the power can be curtailed on a market-driven basis at correspondingly low prices. The merit order effect already proven in the past and the loss in market value of VRE due to the so-called simultaneity effect raise the question of whether a system with a high shares of VRE can be refinanced purely marketendogenously on the basis of a marginal cost market in the future. With the help of the agent-based electricity market model AMIRIS, which was further developed within the framework of the dissertation, different scenario analyses were carried out to answer the question and evaluated at the actor and system level. The hourly resolved simulation runs of 2015-2035 for the development of the refinancing conditions of the VRE, the VRE market values as well as the associated support efficiency in order to achieve the VRE targets with the application of a variable or fixed market and capacity premium come to the conclusion that the refinancing of a market endogenous expansion of VRE plants is not possible under the conditions of a marginal cost based electricity market. This is primarily due to the increasingly market-driven curtailment of VRE electricity volumes and the loss of market value due to the simultaneity effect. The problem here is that none of the plant operators can realistically estimate at the time of the investment what share of the meteorologically producible quantity of electricity can ultimately be sold on the market. This is because the quantities of electricity that can be marketed depend not only on the funding instrument, but above all on the future flexibility of the system. In addition, none of the instruments discussed in the reference scenario can even come close to achieving the renewable energy expansion targets by 2035. In addition, the currently implemented direct marketing system for renewables via the power exchange with competition between the decentralised direct marketers leads to inefficient curtailment decisions with regard to the variable market premium, since in this support regime there is an incentive to curtail the VRE plants with the lowest levelized-cost of electricity (LCOE) first. As the share of VRE increases, a decentralised direct marketing system will in future also lead to high information asymmetries and thus inefficient pricing in electricity wholesale. This is due to the unawareness of other market participants about the decentralised decision to curtailment VRE volumes. A central direct marketing system with a so-called 'single buyer' concept could remedy this situation. Contrary to the prevailing economic theory, the variable market premium proves to be dynamically more efficient than a fixed market premium in all scenarios examined, which in turn is more efficient than a variable and fixed capacity premium. The greatest influence on the absolute as well as relative market values of the VRE is exerted in descending order by new electricity consumers (P2X), a central instead of decentralised direct marketing system, a more even expansion ratio between wind and PV plants, a more even distribution of wind plants between northern and southern Germany, the flexible use of biomass plants, the use of electricity to electricity storage units and to relatively small proportions also a more system-oriented design of the plants (weakwind turbines). Better incentives to increase the flexibility potentials and thus better integration possibilities of the VRE are offered by the integration via the electricity utilities instead of the wholesale market.

Experimentieren in der vorliegenden Arbeit bedeutet, Experimente auf der Basis von computerbasierten Modellen durchzuführen, wobei diese Modelle Struktur, Verhalten und Umgebung eines Systems abstrahiert beschreiben. Aus verschiedenen Gründen untersucht man stellvertretend für das System ein Modell dieses Systems. Systematisches Experimentieren bei Variation der Modelleingabeparameterbelegung führt in der Regel zu sehr vielen, potentiell lang andauernden Experimenten, die geplant, dokumentiert, automatisiert ausgeführt, überwacht und ausgewertet werden müssen. Häufig besteht dabei das Problem, dass dem Experimentator (der üblicherweise kein Informatiker ist) adäquate Ausdrucksmittel fehlen, um seine Experimentier-Prozesse formal zu beschreiben, so dass sie von einem Computersystem automatisiert ausgeführt werden können. Dabei müssen Verständlichkeit, Nachnutzbarkeit und Reproduzierbarkeit gewahrt werden. Der neue Ansatz besteht darin, generelle Experimentier-Workflow-Konzepte als Spezialisierung von Scientific-Workflows zu identifizieren und diese als eine metamodellbasierte Domain-Specific-Language (DSL) zu formalisieren, die hier als Experimentation-Language (ExpL) bezeichnet wird. ExpL beinhaltet allgemeine Workflow-Konzepte und erlaubt das Modellieren von Experimentier-Workflows auf einer frameworkunabhängigen, konzeptuellen Ebene. Dadurch werden die Nachnutzbarkeit und das Publizieren von Experimentier-Workflows nicht mehr durch die Gebundenheit an ein spezielles Framework behindert. ExpL wird immer in einer konkreten Experimentierdomäne benutzt, die spezifische Anforderungen an Konfigurations- und Auswertemethoden aufweist. Um mit dieser Domänenspezifik umzugehen, wird in dieser Arbeit gezeigt, diese beiden Aspekte separat in zwei weiteren, abhängigen Domain-Specific-Languages (DSLs) zu behandeln: für Konfiguration und Auswertung. / Experimentation in my work means performing experiments based on computer-based models, which describe system structure and behaviour abstractly. Instead of the system itself models of the system will be explored due to several reasons. Systematic experimentation using model input parameter variation assignments leads to lots of possibly long-running experiments that must be planned, documented, automated executed, monitored and evaluated. The problem is, that experimenters (who are usually not computer scientists) miss the proper means of expressions (e. g., to express variations of parameter assignments) to describe experimentation processes formally in a way, that allows their automatic execution by a computer system while preserving reproducibility, re-usability and comprehension. My approach is to identify general experimentation workflow concepts as a specialization of a scientific workflow and formalize them as a meta-model-based domain-specific language (DSL) that I call experimentation language (ExpL). experimentation language (ExpL) includes general workflow concepts like control flow and the composition of activities, and some new declarative language elements. It allows modeling of experimentation workflows on a framework-independent, conceptional level. Hence, re-using and sharing the experimentation workflow with other scientists is not limited to a particular framework anymore. ExpL is always being used in a specific experimentation domain that has certain specifics in configuration and evaluation methods. Addressing this, I propose to separate the concerns and use two other, dependent domain-specific languages (DSLs) additionally for configuration and evaluation.

Zuweilen wird gefördertes Erdgas als eine Brückentechnologie noch eine Weile erhalten bleiben, aber unsere Gasnetzinfrastruktur hat auch in einer Ära post-fossiler Brennstoffe eine Zukunft, um Klima-neutral erzeugtes Methan, Ammoniak oder Wasserstoff zu transportieren. Damit die Dispatcher der Zukunft, in einer sich fortwährend dynamisierenden Marktsituation, mit sich beständig wechselnden Kleinstanbietern, auch weiterhin einen sicheren Gasnetzbetrieb ermöglichen und garantieren können, werden sie auf moderne, schnelle Simulations- sowie performante Optimierungstechnologie angewiesen sein. Der Schlüssel dazu liegt in einem besseren Verständnis zur numerischen Behandlung nicht differenzierbarer Funktionen und diese Arbeit möchte einen Beitrag hierzu leisten. Wir werden stückweise differenzierbare Funktionen in sog. Abs-Normalen Form betrachten. Durch einen Prozess, der Abs-Linearisierung genannt wird, können wir stückweise lineare Approximationsmodelle erster Ordnung, mittels Techniken der algorithmischen Differentiation erzeugen. Jene Modelle können über Matrizen und Vektoren mittels gängiger Software-Bibliotheken der numerischen linearen Algebra auf Computersystemen ausgedrückt, gespeichert und behandelt werden. Über die Generalisierung der Formel von Faà di Bruno können auch Splinefunktionen höherer Ordnung generiert werden, was wiederum zu Annäherungsmodellen mit besserer Güte führt. Darauf aufbauend lassen sich gemischte Taylor-Kollokationsmethoden, darunter die mit Ordnung zwei konvergente generalisierte Trapezmethode, zur Integration von Gasnetzen, in Form von nicht glatten Algebro-Differentialgleichungssystemen, definieren. Numerische Experimente demonstrieren das Potential. Da solche implizite Integratoren auch nicht lineare und in unserem Falle zugleich auch stückweise differenzierbare Gleichungssysteme erzeugen, die es als Unterproblem zu lösen gilt, werden wir uns auch die stückweise differenzierbare, sowie die stückweise lineare Newtonmethode betrachten. / As of yet natural gas will remain as a bridging technology, but our gas grid infrastructure does have a future in a post-fossil fuel era for the transportation of carbon-free produced methane, ammonia or hydrogen. In order for future dispatchers to continue to enable and guarantee safe gas network operations in a continuously changing market situation with constantly switching micro-suppliers, they will be dependent on modern, fast simulation as well as high-performant optimization technology. The key to such a technology resides in a better understanding of the numerical treatment of non-differentiable functions and this work aims to contribute here. We will consider piecewise differentiable functions in so-called abs-normal form. Through a process called abs-linearization, we can generate piecewise linear approximation models of order one, using techniques of algorithmic differentiation. Those models can be expressed, stored and treated numerically as matrices and vectors via common software libraries of numerical linear algebra. Generalizing the Faà di Bruno's formula yields higher order spline functions, which in turn leads to even higher order approximation models. Based on this, mixed Taylor-Collocation methods, including the generalized trapezoidal method converging with an order of two, can be defined for the integration of gas networks represented in terms of non-smooth system of differential algebraic equations. Numerical experiments will demonstrate the potential. Since those implicit integrators do generate non-linear and, in our case, piecewise differentiable systems of equations as sub-problems, it will be necessary to consider the piecewise differentiable, as well as the piecewise linear Newton method in advance.