This thesis dealt with the techniques that could be used for the pre-assessment of contaminated sites. The goals of the thesis were based on a simple fact that every contaminated site possesses certain potential to degrade natural resources, specifically groundwater and land resources. The thesis focused on using mathematical and statistical techniques to predict the maximum length of contaminated plumes or Lmax, which it considered as a key parameter that could be used for the site assessment. As the first thesis work, data from KORA sites were compiled and analysed. From the analyses, it was found that the Lmax for BTEX plumes are in average under 150 m long. Further, for this work, Analytical Models that can be used to estimate Lmax were reviewed and, examples comparing model and fifield Lmax were presented. The second work for the thesis focused on a development and analysis of a new 3D-analytical model for a fifinite planar and fully penetrating source. An implicit expression for predicting Lmax was obtained. The analysis of the developed model suggested that the longest Lmax will result if the source takes an approximately square shape. The last part of the thesis improved the 3D-analytical model obtained in the second work by presenting an expression for a fifinite planar source that only partially penetrates the aquifer. For this work, a very simple numerical technique was developed that not only simplififies numerical analysis of the scenarios considered in this thesis but it also bears potentials to be used for very complex subsurface reaction transport scenarios. This thesis has been successful in narrowing research-gaps on problems related to contaminated sites management. / Diese Doktorarbeit befasste sich mit Methoden, welche für eine Vorabbewertung von kontaminierten Standorten genutzt werden können. Die Ziele der Arbeit basierten auf dem einfachen Fakt, dass jeder kontaminierte Standort ein bestimmtes Potential besitzt, natürliche Ressourcen, speziell Grundwasser- und Bodenressourcen, in ihrer Qualität negativ zu beeinträchtigen. Die Arbeit war auf die Nutzung mathematischer und statistischer Techniken zur Abschätzung der maximalen Schadstofffahnenlänge, auch Lmax, fokussiert, welche als entscheidender Parameter für die Standortbewertung genutzt werden kann. Der erste Teil der Doktorarbeit beinhaltete die Zusammenstellung und Analyse von Daten einer Vielzahl von KORA-Standorten. Anhand dieser Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass Lmax von BTEX-Fahnen im Mittel unterhalb von 150 m liegt. Des Weiteren wurden für diese Arbeit analytische Modelle, welche für die Abschätzung von Lmax genutzt werden können, kritisch bewertet und vergleichende Beispiele zwischen mit Modellierung bestimmter und im Feld ermittelter Lmax präsentiert. Der zweite Teil der Doktorarbeit zielte auf die Entwicklung und Analyse eines neuen dreidimensionalen, analytischen Models für eine finite, planare und über die komplette Mächtigkeit vorherrschende Quelle ab. Es konnte ein impliziter mathematischer Ausdruck zur Vorhersage von Lmax gewonnen werden. Die Analyse des Models wies darauf hin, dass maximale Lmax erreicht werden, wenn die Quelle eine annähernd quadratische Form aufweist. Der letzte Teil der Doktorarbeit diente der Weiterentwicklung des dreidimensionalen, analytischen Modells aus dem zweiten Teil durch die Entwicklung eines Ausdrucks für eine finite, planare Quelle, welche jedoch nur teilweise die Mächtigkeit des Grundwasserleiters kontaminiert. Für diese Arbeit wurde ein sehr einfacher numerischer Ansatz entwickelt, welcher die numerische Analyse der in dieser Arbeit berücksichtigten Szenarien nicht einfach nur erleichtert, sondern auch das Potential beinhaltet diesen auf komplexe, reaktive Transportszenarien im Untergrund anzuwenden. Abschließend kann gesagt werden, dass diese Arbeit erfolgreich zur Verringerung von Forschungslücken in der Problematik des Managements kontaminierter Standorte beigetragen hat.

Die vorliegende Arbeit gründet auf einer neuartigen analytischen Theorie zum HERTZschen Kontakt am geschichtet aufgebauten Halbraum von N. SCHWARZER (1998). Der Kugeleindruckversuch in Schichtsysteme kann damit im linear-elastischen Bereich exakt beschrieben werden, was bereits erfolgreich zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls von ultradünnen Schichten ausgenutzt wurde. Mit der Theorie kann aber auch das Spannungsfeld im Grenzfall elastischer Deformation, zu Beginn des Materialversagens analysiert werden. Über die Kenntnis kritischer Spannungswerte ließen sich damit Versagensmechanismen identifizieren. So konnte kürzlich für Schichten im System Si3N4/SiO2 gezeigt werden, dass die VON MISES-Vergleichsspannung im Versagensfall kritische Werte annimmt. Dies ist wiederum typisch für das plastische Versagen, womit erstmals die Fließpannung von Dünnschichten bestimmt wurde. Im Rahmen dieser Arbeit sollte dieses Ergebnis an magnetronsputterten Schichten vom B4C-Target bestätigt werden, wobei die mechanischen Eigenschaften über die Gaszusammensetzung N2/Ar variiert wurden. Die Nanoindentermessungen mit dem UMIS 2000 erfolgten an Einzelschichten auf Silizium und Quarzglas sowie an einem speziellen Dreischichtsystem. Die Analyse zeigt, dass die plastische Deformation nicht in allen Fällen zum Versagen führte und bei geeignetem Schichtaufbau einstellbar ist. Ferner zeigt die rasterkraft- und rasterelektronenmikroskopische Schadensbildanalyse, dass das Versagen unter bestimmten Bedingungen wahrscheinlich durch star cracks verursacht wurde. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einer anderen Problematik. Ausgangspunkt dafür bildet eine Weiterentwicklung der theoretischen Methode durch SCHWARZER (2001), mit der die Anwendung der elastischen Kugeleindruckmethode an begrenzten oder real geformten Festkörperoberflächen denkbar ist. Konzeptionell wird dabei die existierende Lösung für den geschichteten Halbraum auf geeignete krummlinige Koordinaten transformiert. Zur Überprüfung des Beschreibungskonzepts wurde die Lösung für das spezielle Kontaktproblem am Viertel- und Achtelraum entwickelt. Dabei war allerdings bereits wieder eine Annahme nötig, deren Überprüfung Gegenstand dieser Arbeit ist. Hierzu wurden zwei unabhängige Indenterexperimente in der Nähe von Kanten vorgenommen, die zunächst widersprüchliche Ergebnisse lieferten. Weiterführende Untersuchungen zeigen aber einerseits, dass die Empfindlichkeit einer der beiden Messmethoden nicht ausreichend ist. Andererseits liefern die Zusatzuntersuchungen Vorschläge zu Verbesserung der weiterentwickelten Theorie.

Die vorliegende Arbeit gründet auf einer neuartigen analytischen Theorie zum HERTZschen Kontakt am geschichtet aufgebauten Halbraum von N. SCHWARZER (1998). Der Kugeleindruckversuch in Schichtsysteme kann damit im linear-elastischen Bereich exakt beschrieben werden, was bereits erfolgreich zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls von ultradünnen Schichten ausgenutzt wurde. Mit der Theorie kann aber auch das Spannungsfeld im Grenzfall elastischer Deformation, zu Beginn des Materialversagens analysiert werden. Über die Kenntnis kritischer Spannungswerte ließen sich damit Versagensmechanismen identifizieren. So konnte kürzlich für Schichten im System Si3N4/SiO2 gezeigt werden, dass die VON MISES-Vergleichsspannung im Versagensfall kritische Werte annimmt. Dies ist wiederum typisch für das plastische Versagen, womit erstmals die Fließpannung von Dünnschichten bestimmt wurde. Im Rahmen dieser Arbeit sollte dieses Ergebnis an magnetronsputterten Schichten vom B4C-Target bestätigt werden, wobei die mechanischen Eigenschaften über die Gaszusammensetzung N2/Ar variiert wurden. Die Nanoindentermessungen mit dem UMIS 2000 erfolgten an Einzelschichten auf Silizium und Quarzglas sowie an einem speziellen Dreischichtsystem. Die Analyse zeigt, dass die plastische Deformation nicht in allen Fällen zum Versagen führte und bei geeignetem Schichtaufbau einstellbar ist. Ferner zeigt die rasterkraft- und rasterelektronenmikroskopische Schadensbildanalyse, dass das Versagen unter bestimmten Bedingungen wahrscheinlich durch star cracks verursacht wurde. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einer anderen Problematik. Ausgangspunkt dafür bildet eine Weiterentwicklung der theoretischen Methode durch SCHWARZER (2001), mit der die Anwendung der elastischen Kugeleindruckmethode an begrenzten oder real geformten Festkörperoberflächen denkbar ist. Konzeptionell wird dabei die existierende Lösung für den geschichteten Halbraum auf geeignete krummlinige Koordinaten transformiert. Zur Überprüfung des Beschreibungskonzepts wurde die Lösung für das spezielle Kontaktproblem am Viertel- und Achtelraum entwickelt. Dabei war allerdings bereits wieder eine Annahme nötig, deren Überprüfung Gegenstand dieser Arbeit ist. Hierzu wurden zwei unabhängige Indenterexperimente in der Nähe von Kanten vorgenommen, die zunächst widersprüchliche Ergebnisse lieferten. Weiterführende Untersuchungen zeigen aber einerseits, dass die Empfindlichkeit einer der beiden Messmethoden nicht ausreichend ist. Andererseits liefern die Zusatzuntersuchungen Vorschläge zu Verbesserung der weiterentwickelten Theorie.

This thesis dealt with the techniques that could be used for the pre-assessment of contaminated sites. The goals of the thesis were based on a simple fact that every contaminated site possesses certain potential to degrade natural resources, specifically groundwater and land resources. The thesis focused on using mathematical and statistical techniques to predict the maximum length of contaminated plumes or Lmax, which it considered as a key parameter that could be used for the site assessment. As the first thesis work, data from KORA sites were compiled and analysed. From the analyses, it was found that the Lmax for BTEX plumes are in average under 150 m long. Further, for this work, Analytical Models that can be used to estimate Lmax were reviewed and, examples comparing model and fifield Lmax were presented. The second work for the thesis focused on a development and analysis of a new 3D-analytical model for a fifinite planar and fully penetrating source. An implicit expression for predicting Lmax was obtained. The analysis of the developed model suggested that the longest Lmax will result if the source takes an approximately square shape. The last part of the thesis improved the 3D-analytical model obtained in the second work by presenting an expression for a fifinite planar source that only partially penetrates the aquifer. For this work, a very simple numerical technique was developed that not only simplififies numerical analysis of the scenarios considered in this thesis but it also bears potentials to be used for very complex subsurface reaction transport scenarios. This thesis has been successful in narrowing research-gaps on problems related to contaminated sites management. / Diese Doktorarbeit befasste sich mit Methoden, welche für eine Vorabbewertung von kontaminierten Standorten genutzt werden können. Die Ziele der Arbeit basierten auf dem einfachen Fakt, dass jeder kontaminierte Standort ein bestimmtes Potential besitzt, natürliche Ressourcen, speziell Grundwasser- und Bodenressourcen, in ihrer Qualität negativ zu beeinträchtigen. Die Arbeit war auf die Nutzung mathematischer und statistischer Techniken zur Abschätzung der maximalen Schadstofffahnenlänge, auch Lmax, fokussiert, welche als entscheidender Parameter für die Standortbewertung genutzt werden kann. Der erste Teil der Doktorarbeit beinhaltete die Zusammenstellung und Analyse von Daten einer Vielzahl von KORA-Standorten. Anhand dieser Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass Lmax von BTEX-Fahnen im Mittel unterhalb von 150 m liegt. Des Weiteren wurden für diese Arbeit analytische Modelle, welche für die Abschätzung von Lmax genutzt werden können, kritisch bewertet und vergleichende Beispiele zwischen mit Modellierung bestimmter und im Feld ermittelter Lmax präsentiert. Der zweite Teil der Doktorarbeit zielte auf die Entwicklung und Analyse eines neuen dreidimensionalen, analytischen Models für eine finite, planare und über die komplette Mächtigkeit vorherrschende Quelle ab. Es konnte ein impliziter mathematischer Ausdruck zur Vorhersage von Lmax gewonnen werden. Die Analyse des Models wies darauf hin, dass maximale Lmax erreicht werden, wenn die Quelle eine annähernd quadratische Form aufweist. Der letzte Teil der Doktorarbeit diente der Weiterentwicklung des dreidimensionalen, analytischen Modells aus dem zweiten Teil durch die Entwicklung eines Ausdrucks für eine finite, planare Quelle, welche jedoch nur teilweise die Mächtigkeit des Grundwasserleiters kontaminiert. Für diese Arbeit wurde ein sehr einfacher numerischer Ansatz entwickelt, welcher die numerische Analyse der in dieser Arbeit berücksichtigten Szenarien nicht einfach nur erleichtert, sondern auch das Potential beinhaltet diesen auf komplexe, reaktive Transportszenarien im Untergrund anzuwenden. Abschließend kann gesagt werden, dass diese Arbeit erfolgreich zur Verringerung von Forschungslücken in der Problematik des Managements kontaminierter Standorte beigetragen hat.

Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT)-Polymer-Komposite haben ein großes Potential im Bereich sensorischer Anwendungen. Dabei spielen die elektrischen Eigenschaften des Komposits und deren Änderungen unter mechanischer Belastung eine entscheidende Rolle. Einen maßgeblichen Einfluss nimmt dabei das Aspektverhältnis der CNT-Agglomerate sowie der CNTs selbst ein, welches jeweils vom CNT-Desagglomerationsprozess bestimmt wird. Die Dispergierung beeinflusst folglich auch die elektrische Leitfähigkeit und Reproduzierbarkeit des Komposits sowohl im mechanisch unbelasteten als auch belasteten Zustand. Dies wurde anhand von (teil-)analytischen Modellen gezeigt. Die Dispersionsqualität wird dabei von vielen Faktoren beeinflusst, wobei die Prozessparameter beim Ultraschalldispergieren derzeit nach der Trial-and-Error-Methode bestimmt werden. Im Rahmen der Arbeit wurde eine Dispergiergleichung für zylindrische Partikel, die CNTs näherungsweise sind, erstmals für die Dispergierung von CNTs in Lösungsmitteln entwickelt, angewendet sowie verifiziert. Die Gültigkeit der Gleichung für CNTs wurde durch Variation der Ultraschallparameter Zeit sowie Energie und deren Einfluss auf den Dispergiergrad gezeigt. Die mittels UV-VIS-Spektroskopie gemessene Extinktion diente dabei als indirekte Messgröße des Dispergiergrads. Nach Vorversuchen zur geeigneten Materialauswahl wurden alle relevanten Einflussparameter berechnet oder experimentell bestimmt. Die experimentelle Verifikation erfolgte an CNT-N-Methyl-2-pyrrolidon-Dispersionen, die mittels Ultraschallsonotrode kontrolliert dispergiert wurden. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass die Bestimmung der optimalen Ultraschallparameter möglich ist und die bis dahin übliche Praxis der experimentellen Bestimmung der Dispergierparameter für CNTs ablösen kann. Mithin wurde die Grundlage für die Herstellung elektrisch reproduzierbarer CNT-Polymer-Komposit-basierter Sensoren gelegt. Darüber hinaus wurde das Anwendungspotential dieses Sensorkonzepts für Einzelsensoren zur punktuellen Druckmessung über eine Druckverteilungsmessung als Sensormatrix bis hin zur Anwendung als Einlegesohle im Schuh zur Überwachung des Drucks gezeigt. / Carbon nanotubes (CNT) polymer composites in the field of sensory applications have considerable potential. However, their electrical properties and their changes under mechanical stress play a decisive role. The deagglomeration process of the CNTs also has a great influence on the aspect ratio of the CNT agglomerates as well as the CNTs themselves and thus the electrical conductivity and reproducibility of the composite in both the mechanically unloaded and loaded state.This is shown by means of (partially) analytical models. The dispersion quality is influenced by many factors. The process parameters during ultrasound dispersion are currently being determined by a trial-and-error method. Within the scope of the work, a dispersing equation for cylindrical particles, which are approximate to CNTs, was first developed, applied and verified for the dispersion of CNTs in solvents. The validity of the equation for CNTs was shown by the variation of the ultrasonic parameters time as well as energy and their influence on the degree of dispersion. The absorbance measured by means of UV-VIS spectroscopy serves as an indirect measure of the degree of dispersion. After pre-testing for suitable material selection, all relevant influencing parameters were calculated or determined experimentally. Experimental verification was carried out on CNT-N-methyl-2-pyrrolidone dispersions, which were dispersed in a controlled manner by means of an ultrasonic sonotrode. As a result, it is illustrated that the determination of the optimal ultrasonic parameters is possible and can replace the conventional practice of the experimental determination of the dispersing parameters for CNTs. Accordingly, the basis for the production of electrically reproducible CNT polymer composite-based sensors has been established. In addition, the application potential of this sensor concept ranging from individual sensors for selective pressure measurement over pressure distribution measurement as a sensor matrix to the application as a shoe insole for pressure monitoring was shown.

Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT)-Polymer-Komposite haben ein großes Potential im Bereich sensorischer Anwendungen. Dabei spielen die elektrischen Eigenschaften des Komposits und deren Änderungen unter mechanischer Belastung eine entscheidende Rolle. Einen maßgeblichen Einfluss nimmt dabei das Aspektverhältnis der CNT-Agglomerate sowie der CNTs selbst ein, welches jeweils vom CNT-Desagglomerationsprozess bestimmt wird. Die Dispergierung beeinflusst folglich auch die elektrische Leitfähigkeit und Reproduzierbarkeit des Komposits sowohl im mechanisch unbelasteten als auch belasteten Zustand. Dies wurde anhand von (teil-)analytischen Modellen gezeigt. Die Dispersionsqualität wird dabei von vielen Faktoren beeinflusst, wobei die Prozessparameter beim Ultraschalldispergieren derzeit nach der Trial-and-Error-Methode bestimmt werden. Im Rahmen der Arbeit wurde eine Dispergiergleichung für zylindrische Partikel, die CNTs näherungsweise sind, erstmals für die Dispergierung von CNTs in Lösungsmitteln entwickelt, angewendet sowie verifiziert. Die Gültigkeit der Gleichung für CNTs wurde durch Variation der Ultraschallparameter Zeit sowie Energie und deren Einfluss auf den Dispergiergrad gezeigt. Die mittels UV-VIS-Spektroskopie gemessene Extinktion diente dabei als indirekte Messgröße des Dispergiergrads. Nach Vorversuchen zur geeigneten Materialauswahl wurden alle relevanten Einflussparameter berechnet oder experimentell bestimmt. Die experimentelle Verifikation erfolgte an CNT-N-Methyl-2-pyrrolidon-Dispersionen, die mittels Ultraschallsonotrode kontrolliert dispergiert wurden. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass die Bestimmung der optimalen Ultraschallparameter möglich ist und die bis dahin übliche Praxis der experimentellen Bestimmung der Dispergierparameter für CNTs ablösen kann. Mithin wurde die Grundlage für die Herstellung elektrisch reproduzierbarer CNT-Polymer-Komposit-basierter Sensoren gelegt. Darüber hinaus wurde das Anwendungspotential dieses Sensorkonzepts für Einzelsensoren zur punktuellen Druckmessung über eine Druckverteilungsmessung als Sensormatrix bis hin zur Anwendung als Einlegesohle im Schuh zur Überwachung des Drucks gezeigt. / Carbon nanotubes (CNT) polymer composites in the field of sensory applications have considerable potential. However, their electrical properties and their changes under mechanical stress play a decisive role. The deagglomeration process of the CNTs also has a great influence on the aspect ratio of the CNT agglomerates as well as the CNTs themselves and thus the electrical conductivity and reproducibility of the composite in both the mechanically unloaded and loaded state.This is shown by means of (partially) analytical models. The dispersion quality is influenced by many factors. The process parameters during ultrasound dispersion are currently being determined by a trial-and-error method. Within the scope of the work, a dispersing equation for cylindrical particles, which are approximate to CNTs, was first developed, applied and verified for the dispersion of CNTs in solvents. The validity of the equation for CNTs was shown by the variation of the ultrasonic parameters time as well as energy and their influence on the degree of dispersion. The absorbance measured by means of UV-VIS spectroscopy serves as an indirect measure of the degree of dispersion. After pre-testing for suitable material selection, all relevant influencing parameters were calculated or determined experimentally. Experimental verification was carried out on CNT-N-methyl-2-pyrrolidone dispersions, which were dispersed in a controlled manner by means of an ultrasonic sonotrode. As a result, it is illustrated that the determination of the optimal ultrasonic parameters is possible and can replace the conventional practice of the experimental determination of the dispersing parameters for CNTs. Accordingly, the basis for the production of electrically reproducible CNT polymer composite-based sensors has been established. In addition, the application potential of this sensor concept ranging from individual sensors for selective pressure measurement over pressure distribution measurement as a sensor matrix to the application as a shoe insole for pressure monitoring was shown.