Saturn’s moon, Titan, has been a scientific marvel since Cassini’s flyby discovered methane-ethane lakes in the northern hemisphere. Several science missions to explore these lakes have been proposed, but none have been launched. Using these previous mission designs, as well as the success of the Huygens probe, this paper will discuss the development of a deployable multi-buoy system with the intent of studying the methane-ethane lakes. The buoys will study the chemical makeup of the lakes, determine meteorology of Titan atmosphere, and map the depth and floor of the targeted lakes. This thesis is a concept study on the multi-buoy system that reviews briefly the concept and design.

Linear dunes are one of the most abundant and important features on the surface of Titan. We present a model for estimating the volume of dune sediment using the area coverage of Titan's sand seas along with dune widths, spacings, and heights. This helps to reveal local sediment transport and deposition. We refine global dune area estimates from Cassini SAR (Synthetic Aperture RADAR) of 20 million km2 or 24 ± 3% of Titan's surface based on ~50% Cassini RADAR global coverage. Additionally, the global area of sand seas is estimated from a joint analysis of Cassini SAR and ISS (Imaging Science Subsystem) images of 12.8 ± 2 million km2 or 15.4 ± 2.4% of Titan's surface. Also, we provide the first area measurements by sand sea, then describe a new method for estimation of the volume of dune sands across the sand seas based on imagery and measured dune characteristics (i.e., width, spacing, profile, and height) on Titan and in Earth's Namib Sand Sea. Our volume thickness map shows sand sea volumes of 3.8--7.9 x 104 km3 in Senkyo, 6.1--12.7 x 104 km3 in Belet, 5.3--11.0 x 104 km3 in Shangri-La, and also 5.3--11.0 x 104 km3 in Fensal and Aztlan Sand Seas. Our estimate for global dune sand volume is 206,000 km3 - 427,000 km3. The volume map identifies regional changes in sediment thickness implying local variations in transport and deposition and spatial variations in wind strength and direction. We show that dunes might be isolated to equatorial regions because of wind strength, topography, sediment supply, and humidity. Our preliminary map can be used as a tool to understand sediment transport and deposition to explain spatial variations in eolian sediment volume on Titan.

The exploration of celestial bodies has recently advanced from rovers to rotorcraft. This includes the recent flights of Mars Ingenuity and the upcoming Dragonfly mission to explore the terrain of Saturn’s moon Titan as part of NASA’s New Frontiers Program. Flight-based landers can travel quickly to sites kilometers apart and land in complex terrain. Although cruise conditions for these rotorcrafts are well understood, studies are necessary to understand take-off and landing. In ground effect conditions, a rotor wake impinges and reflects off the ground, creating changes in aerodynamics such as increased lift. Additionally, operating over loose surfaces, the rotors can create clouds of dust obscuring the vehicle’s sensors, a hazard termed “brownout” from rotorcraft landing in sandy and snowy conditions on Earth. Take-off and landing events involve interactions between the rotor wake, fuselage, and ground, and lead to a multi-phase interface between the fluid atmosphere and the dispersed dust particles. The objective of this study is to computationally model and evaluate ground effect aerodynamic forces on the Dragonfly rotorcraft lander. A calculation of sediment distribution across the surface of the vehicle will provide insight to which components might be most affected by brownout.

This thesis describes the preliminary design of a system for remote terrain exploration and environmental sampling on worlds with dense atmospheres. The motivation for the system is to provide a platform for long-term scientific studies of these celestial bodies. The proposed system consists of three main components: a buoyancy-driven glider, designed to operate at low altitude; a tethered energy harvester, extracting wind energy at high altitudes; and a base station to recharge the gliders. This system is self-sustaining, extracting energy from the planetary boundary layer. A nine degree of freedom vehicle dynamic model has been developed for the buoyancydriven glider. This model was used to illustrate anecdotal evidence of the stability and controllability of the system. A representative system was simulated to examine the energy harvesting concept. / Master of Science

This thesis serves to provide a conceptual mission design for a Titan-orbiting stellar occultation mission. Titan has a significant atmosphere much like Earth's. An improved understanding of Titan's atmosphere could provide valuable information about the evolution of Earth's climate. Titan's atmosphere is known to be in a state of superrotation, wherein the atmosphere rotates significantly faster than the surface beneath. The details of the creation and sustainment of this extreme state on Titan in terms of angular momentum exchange remain unknown despite current theories and models. These unknowns, alongside inconsistencies between current models with observations from the Cassini mission, call for an urgent need for Titan atmospheric observations able to resolve atmospheric waves. The science objectives driving the mission design include maximizing the number of measurements, the latitude versus longitude coverage, the latitude versus local solar time coverage, and the mission duration. These measurement needs can be met by a Titan orbiter utilizing a refractive stellar occultation technique. Refractive stellar occultation observes starlight bending through an atmosphere as stars set behind a body. The observed bending profile can be inverted to infer density, temperature, and pressure profiles. This research uses Systems Tool Kit (STK) as a simulation tool to predict measurement coverage for various orbits. The orbital radius was determined to be the driving independent variable which set all other design variables, including the orbital plane which was uniquely selected for a given orbital radius to maximize the number of occultations. The results of this study show that a lower orbital radius is desired as this produces the best combination of measurement number and distribution. This orbital plane should be closely aligned with the Milky Way galactic plane to see the most stars occult. For the lowest sustainable orbital altitude, Low Titan Orbit (LTO) at 1200 km, the orbital plane should be nearly polar to maximize the number of occultations and latitude coverage. The optimal orbit selection (defined by orbital elements a = 3775 km, e = 0, i = 85 degrees, Ω = 87 degrees, ω = 0 degrees, and ν = 0 degrees) for a single satellite can produce nearly 400 stellar occultation opportunities per orbit and provide full latitude versus longitude coverage. A single satellite shows gaps in latitude versus local solar time coverage at mid-latitudes normal to the satellite ground track which may inhibit the diagnosis of the angular momentum flux associated with thermal tides. If necessary, a second satellite in an orbit orthogonal to the first is suggested to close coverage gaps to provide full local time coverage over a Titan day. The optimal orbit selection of this second satellite (defined by orbital elements a = 3775 km, e = 0, i = 5.3 degrees, Ω = 5.9 degrees, ω = 0 degrees, and ν = 0 degrees) provides an additional 343 occultation opportunities per orbit and increases latitude versus local solar time coverage by a factor of 1.5. The understanding of Titan's Earth-like atmosphere could provide insight into climate evolution here on Earth. This concept proposes a novel approach to improving this understanding. / Master of Science / This thesis serves to provide a conceptual mission design for a Titan-orbiting stellar occultation mission. Titan, one of Saturn's 82 moons, has a significant atmosphere much like Earth's. An improved understanding of Titan's atmosphere could provide valuable information about the evolution of Earth's climate. Titan's atmosphere is known to be in a state of superrotation, wherein the atmosphere rotates significantly faster than the surface beneath. The details of the creation and sustainment of this extreme state on Titan remain unknown despite current theories and models. These unknowns, alongside inconsistencies between current models with observations from the Cassini mission, call for an urgent need for Titan atmospheric observation. The science objectives driving the mission design include maximizing the number of measurements, the latitude versus longitude coverage, the latitude versus local solar time coverage (on a 24-hour scale), and the mission duration. These measurement needs can be met by a Titan orbiter utilizing a refractive stellar occultation technique. Refractive stellar occultation observes starlight bending through an atmosphere as stars set behind a body. The observed bending profile can be inverted to infer density, temperature, and pressure profiles. This research uses a simulation tool to predict measurement coverage for various orbits. The radius of the orbit was determined to be the driving independent variable which set all other design variables, including the orbital plane which was uniquely selected for a given orbital radius to maximize the number of occultations. The results of this study show that a lower orbital radius is desired as this produces the best combination of measurement number and distribution. This orbital plane should be closely aligned with the Milky Way galactic plane to see the most stars occult. For the lowest sustainable orbital altitude, Low Titan Orbit (LTO) at 1200 km, the orbital plane should be nearly polar to maximize the number of occultations and latitude coverage. The optimal orbit selection for a single satellite can produce nearly 400 stellar occultation opportunities per orbit and provide full latitude versus longitude coverage. A single satellite shows gaps in latitude versus local solar time coverage at mid-latitudes normal to the satellite ground track which may inhibit the diagnosis of atmospheric waves tied to Titan's night and day cycle. If necessary, a second satellite in an orbit orthogonal to the first is suggested to close coverage gaps to provide full local time coverage over a Titan day. The optimal orbit selection of this second satellite provides an additional 343 occultation opportunities per orbit and increases latitude versus local solar time coverage by a factor of 1.5. The understanding of Titan's Earth-like atmosphere could provide insight into climate evolution here on Earth. This concept proposes a novel approach to improving this understanding.

Die Entwicklung und Erprobung von metallischen Implantatwerkstoffen mit biologischen Beschichtungen für den Einsatz im menschlichen Knochen verlangt, neben der Untersuchung grundlegender zellbiologischer Wechselwirkungen, eine ganzheitliche Betrachtung ihrer Wirkungsweise im lebenden Organismus. Die vorwiegend angewandte Methode zur Quantifizierung des Potentials von Biofunktionalisierungen metallischer Implantate ist dabei die histologische Auswertung. Diese stützt sich aber auf Informationen aus nur wenigen und eher zufälligen Schnittlagen im Probenvolumen, was mit einer hohen Anzahl an Tierexperimenten ausgeglichen wird. Mit der Mikrocomputertomographie steht neben der klassischen Histologie eine zerstörungsfreie Methode zur Verfügung, welche eine detaillierte dreidimensionale Darstellung des neugebildeten Knochengewebes ermöglicht. Die Abbildungsqualität des mineralischen Knochengewebes um Titanimplantate, als Grundlage für eine Vergleichbarkeit von Tomographie und Histologie, wurde anhand von drei Mikrofokus-Computertomographen und einem Synchrotron-Computertomographen am HASYLAB untersucht. Die tomographische Untersuchung von Hartgewebe einschließlich metallischer Implantate zeigte mit Hilfe von Synchrotronstrahlung die beste qualitative Übereinstimmung zur histologischen Bildgebung. Für die Quantifizierung der Knochenneubildung wurden interaktive Analysemodelle erarbeitet, welche eine vereinheitlichte Auswertung von histologischen und tomographischen Informationen erlaubt. Auf Grundlage der entwickelten Analyseprozeduren war es erstmals möglich, die statistische Belastbarkeit der Ergebnisse aus der histologischen und tomographischen Analyse zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass hinsichtlich der Herausstellung von Unterschieden bei der Osseointegration modifizierter Titanimplantate mit beiden Methoden ähnliche Ergebnistrends gefunden werden. Eine Signifikanz (p < 0,01) der Unterschiede bei der Knochenneubildung konnte jedoch ausschließlich mit der mikrotomographischen Analyse herausgestellt werden. Die Ergebnisse bei der Darstellung und Analyse des mineralischen Gewebes durch die Nutzung der Synchrotrontomographie gehen weit über die Grenzen der histologischen Untersuchungen hinaus. Durch den dreidimensionalen Charakter der Informationen ergeben sich dabei neue Bewertungsmodelle zur Beurteilung der Osseointegration von biofunktionalisierten Implantaten. Die mikrotomographische Analyse führt gegenüber der histologischen Auswertung durch die geringe Irrtumswahrscheinlichkeit der Ergebnisse bei deutlich verminderter Probenanzahl zu einer erheblichen Verringerung von Tierversuchen.

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Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Grenzflächenausbildung von dünnen Tantal- und Titan-basierenden Schichten zu den piezoelektrischen Substratmaterialien Lithiumniobat sowie Lithiumtantalat, als Teil eines Schichtstapels für die Metallisierung akustischer Oberflächenbauelemente. Ziel ist es das grundlegende Verständnis für die chemischen Wechselwirkungen beim Aufwachsen der Schichten, ihrer thermischen und zeitlichen Stabilität sowie ihrer Effekte auf das Schichtwachstum einer Deckschicht bestehend aus Aluminium zu gewinnen. Ein Schwerpunkt war die Präparation der Substratoberflächen hinsichtlich einer Oberflächenreinigung und -modifikation. Zu diesem Zweck wurden neben verschiedenen Standard-Verfahren auch eine eigens angefertigte plasmagestützte Oberflächenbehandlung systematisch analysiert. Auf derart präparierten Substraten fanden im Folgenden die Schichtabscheidung und die Analyse des Schichtwachstums, hauptsächlich mit winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie, statt. Anhand von thermischen Belastungen sowie zeitlicher Veränderungen der Schichten im Vakuum konnten grundlegende Aussagen zur Stabilität der Grenzflächen gewonnen werden. Zur Komplettierung des Schichtstapels wurden auf ausgewählten Substrat-Schicht Kombinationen das Wachstum von Aluminiumschichten hinsichtlich ihrer unterschiedlicher Texturbildung analysiert und Aussagen zur Relevanz chemischer Ursachen getroffen. / This dissertation addresses the interface formation between thin Tantalum and Titanium based layers onto the piezoelectric substrate materials Lithiumniobate and Lithiumtantalate as part of a metallisation stack for surface acoustic wave devices. The goal is to extend the fundamental knowledge of chemical interactions during layer growth, its thermal and temporal stability plus its effects on the layer growth of an Aluminium cover layer. One focus lies on the preparation of the substrate surfaces for cleaning and modification purpose. For this, besides standard procedures a specially built plasma-based device was systematically evaluated for surface treatment. The following layer deposition was then implemented onto these prepared substrate surfaces and mainly analysed by angle-resolved photoelectron spectroscopy. By the means of thermal load and temporal alteration of the layers in vacuum essential knowledge about the interface stability was gained. For the completion of a whole layer stack selected substrate-layer combinations were covered with Aluminum and its layer growth was analysed with respect to the different formation of texture and its potential chemical cause.

Die Entwicklung und Erprobung von metallischen Implantatwerkstoffen mit biologischen Beschichtungen für den Einsatz im menschlichen Knochen verlangt, neben der Untersuchung grundlegender zellbiologischer Wechselwirkungen, eine ganzheitliche Betrachtung ihrer Wirkungsweise im lebenden Organismus. Die vorwiegend angewandte Methode zur Quantifizierung des Potentials von Biofunktionalisierungen metallischer Implantate ist dabei die histologische Auswertung. Diese stützt sich aber auf Informationen aus nur wenigen und eher zufälligen Schnittlagen im Probenvolumen, was mit einer hohen Anzahl an Tierexperimenten ausgeglichen wird. Mit der Mikrocomputertomographie steht neben der klassischen Histologie eine zerstörungsfreie Methode zur Verfügung, welche eine detaillierte dreidimensionale Darstellung des neugebildeten Knochengewebes ermöglicht. Die Abbildungsqualität des mineralischen Knochengewebes um Titanimplantate, als Grundlage für eine Vergleichbarkeit von Tomographie und Histologie, wurde anhand von drei Mikrofokus-Computertomographen und einem Synchrotron-Computertomographen am HASYLAB untersucht. Die tomographische Untersuchung von Hartgewebe einschließlich metallischer Implantate zeigte mit Hilfe von Synchrotronstrahlung die beste qualitative Übereinstimmung zur histologischen Bildgebung. Für die Quantifizierung der Knochenneubildung wurden interaktive Analysemodelle erarbeitet, welche eine vereinheitlichte Auswertung von histologischen und tomographischen Informationen erlaubt. Auf Grundlage der entwickelten Analyseprozeduren war es erstmals möglich, die statistische Belastbarkeit der Ergebnisse aus der histologischen und tomographischen Analyse zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass hinsichtlich der Herausstellung von Unterschieden bei der Osseointegration modifizierter Titanimplantate mit beiden Methoden ähnliche Ergebnistrends gefunden werden. Eine Signifikanz (p < 0,01) der Unterschiede bei der Knochenneubildung konnte jedoch ausschließlich mit der mikrotomographischen Analyse herausgestellt werden. Die Ergebnisse bei der Darstellung und Analyse des mineralischen Gewebes durch die Nutzung der Synchrotrontomographie gehen weit über die Grenzen der histologischen Untersuchungen hinaus. Durch den dreidimensionalen Charakter der Informationen ergeben sich dabei neue Bewertungsmodelle zur Beurteilung der Osseointegration von biofunktionalisierten Implantaten. Die mikrotomographische Analyse führt gegenüber der histologischen Auswertung durch die geringe Irrtumswahrscheinlichkeit der Ergebnisse bei deutlich verminderter Probenanzahl zu einer erheblichen Verringerung von Tierversuchen.

Die Arbeit befasst sich mit der Ausscheidungshärtung und deren Einfluss auf mechanische und elektrische Eigenschaften von Kupfer-Titan-Legierungen mit Legierungsgehalten unter 1 Ma.-% Titan. Ein besonderer Fokus lag dabei auf der Optimierung der erzielbaren elektrischen Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit. Die zentralen Inhalte der Untersuchungen waren: • Der Einfluss des Titangehalts, der Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung auf die aus der Ausscheidungshärtung resultierenden mechanischen und elektrischen Eigenschaftsänderungen wurde anhand von Legierungen mit 0,2 Ma.-% bis 1 Ma.-% Titan untersucht. • Der Einfluss einer erhöhten Versetzungsdichte auf die Ausscheidungshärtung und die daraus resultierenden Eigenschaften wurde anhand von unterschiedlich stark kaltumgeformten und ausscheidungsgehärteten Proben ermittelt. • Die Untersuchung des Optimierungspotentials der elektrischen Leitfähigkeit durch den Einsatz von geringen Mengen von Aluminium, Nickel, Silizium, Zink und Zinn. • Die Bestimmung des Einflusses einer Kombination von vorgelagerter Kaltumformung und Einsatz eines dritten Legierungselements auf die aus der Ausscheidungshärtung resultierenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals nach dem derzeit bekannten Stand der Technik und der Literatur umfassend die Ausscheidungshärtung von Kupfer-Titan-Legierungen mit weniger als 1 Ma.-% Titan untersucht. Bisherige Untersuchungen beschäftigten sich mit dem Bereich von 1,5 Ma.-% bis 6 Ma.-% Titan und in der industriellen Anwendung kommt bisher nur eine Legierung mit 3 Ma.-% Titan zum Einsatz. Aufgrund der guten, durch Ausscheidungshärtung erreichbaren, mechanischen Eigenschaften werden Kupfer-Titan-Legierungen in binärer Form oder als Mehrstofflegierungen mit Titan als Hauptlegierungselement als Substitutionswerkstoffe für Kupfer-Beryllium-Legierungen angesehen. So kommen diese vermehrt bei Steckverbindern im Automobilbau oder als Werkstoff für den Batteriekontakt oder die Kamera in Smartphones zum Einsatz. Jedoch weisen Kupfer-Titan-Legierungen eine deutlich geringere elektrischen Leitfähigkeit als Kupfer-Beryllium-Legierungen auf. Der Ansatz für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen ist, dass durch den Einsatz geringerer Titan-Gehalte in Kombination mit geeigneter Wärmebehandlung und Optimierung durch vorgelagerte Kaltumformung und den Einsatz weiterer Legierungselemente eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit bei Erhalt guter mechanischer Eigenschaften erreichbar wird. Die experimentellen Untersuchungen von Kupfer-Titan-Legierungen mit bis zu 1 Ma.-% Titan und deren Wärmebehandlungen zur Erzielung verschiedener Auslagerungszustände zeigen, dass vor allem Legierungen mit 0,8 Ma.-% bis 1 Ma.-% Titan ein großes Potential hinsichtlich einer Ausscheidungshärtung aufweisen. Bei diesen lassen sich durch die Ausscheidungshärtung gute mechanische Eigenschaften und eine gute elektrische Leitfähigkeit einstellen. Eine deutliche Steigerung dieser Werkstoffkennwerte ist vor allem durch eine vorgelagerte Kaltumformung zu erzielen. Die Verwendung geringer Anteile an Silizium und Zink führten zu einer Beschleunigung der Ausscheidungshärtung bei einem ähnlichen Eigenschaftsprofil. Durch den Einsatz einer vorgelagerten Kaltumformung bei den Legierungen mit geringen Zusätzen von dritten Elementen zeigte sich noch eine erheblich schnellere Aushärtung bei Erzielung guter Ergebnisse für die Härte, Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Vor allem die schnelle Aushärtung liefert eine gute Grundlage für eine wirtschaftliche und energieeffiziente Herstellung dieser Legierungen in einer industriellen Anwendung.