The first part analyzes an Endogenous Business Cycle model with embodied technological change. Households take an optimal decision about their spending for consumption and financing of R&D. The probability of a technology invention occurring is an increasing function of aggregate R&D expenditure in the whole economy. New technologies bring higher productivity, but rather than applying to the whole capital stock, they require a new vintage of capital, which first has to be accumulated before the productivity gain can be realized. The model offers some valuable features: Firstly, the response of output following a technology shock is very gradual; there are no jumps. Secondly, R&D is an ongoing activity; there are no distinct phases of research and production. Thirdly, R&D expenditure is pro-cyclical and the real interest rate is counter-cyclical. Finally, long-run growth is without scale effects. The second part analyzes a RBC model in continuous time featuring deterministic incremental development of technology and stochastic fundamental inventions arriving according to a Poisson process. In a special case an analytical solution is presented. In the general case a delay differential equation (DDE) has to be solved. Standard numerical solution methods fail, because the steady state is path dependent. A new solution method is presented which is based on a modified method of steps for DDEs. It provides not only approximations but also upper and lower bounds for optimal consumption path and steady state. Furthermore, analytical expressions for the long-term equilibrium distributions of the stationary variables of the model are presented. The distributions can be described as extended Beta distributions. This is deduced from a methodical result about a delay extension of the Pearson system.

Das „Strongly Constrained and Appropriately Normed“ (SCAN) Austausch-Korrelations-Funktional gehört zur Familie der meta-GGA (generalized gradient approximation) Funktionale. Es gibt aber auch Nachteile Zum einen leiden SCAN Rechnungen oft unter numerischen Instabilitäten, wodurch sehr viele Iteration zum Erreichen von Selbst-Konsistenz benötigt werden. Zum anderen leidet SCAN unter dem von GGA Methoden bekannten Selbstwechselwirkung-Fehler. Im ersten Teil der Arbeit habe ich die numerischen Stabilitätsprobleme in SCAN Rechnungen im Rahmen der numerischen Realraum-Integrationsroutinen im Code FHI-aims untersucht. Diese Analyse zeigt, dass die genannte Probleme durch Anwendung von standardisierten Dichte-Mischalgorithmen für die kinetische Energiedichte abgemildert werden können. Dadurch wird auch in SCAN-Rechnungen eine schnelle und stabile Konvergenz zur selbstkonsistenten Lösung ermöglicht. Im zweiten Teil der Arbeit habe ich untersucht, in welchem Rahmen sich der Selbstwechselwirkung-Fehler in SCAN mittels des von Perdew und Zunger vorgeschlagenen Selbstinteraktionskorrekturalgorithmus (PZ-SIC) verringern lässt. Es wurden aber auch Optimierungen für die PZ-SIC Methode entwickelt. Inspiriert von den ursprünglichen Argumenten in der PZ-SIC-Methode und anderen lokalisierten Methoden, wird in dieser Arbeit eine neuartige Randbedingung (orbital density constraint) vorgeschlagen, die sicherstellt, dass die PZ-SIC Orbitale während des Selbstkonsistenzzyklus lokalisiert bleiben. Dies mildert die Anfangswertabhängigkeit deutlich ab und hilft dabei, in die korrekte selbst-konsistente Lösung mit minimaler Energie zu konvergieren, unabhängig davon ob reelle oder komplexe SIC Orbitale verwendet werden. Die in dieser Arbeit getägtigen Entwicklungen und Untersuchungen sind Wegbereiter dafür, in Zukunft mit SIC-SCAN Rechnungen deutlich genauere ab initio Rechnungen mit nur gering höherem Rechenaufwand durchführen zu können. / The state-of-the-art “Strongly Constrained and Appropriately Normed” (SCAN) functional pertains to the family of meta-generalized-gradient approximation (meta-GGA) exchange-correlation functionals. Nonetheless, SCAN suffers from some well-documented deficiencies. In the first part of this thesis, I revisited the known numerical instability problems of the SCAN functional in the context of the numerical, real-space integration framework used in the FHI-aims code. This analysis revealed that applying standard density-mixing algorithms to the kinetic energy density attenuates and largely cures these numerical issues. By this means, SCAN calculations converge towards the self-consistent solution as fast and as efficiently as lower-order GGA calculations. In the second part of the thesis, I investigated strategies to alleviate the self-interaction error in SCAN calculations by using the self-interaction correction algorithm proposed by Perdew and Zunger (PZ-SIC). Inspired by the original arguments in PZ-SIC and other localized methods, I introduced a mathematical constraint, i.e., the orbital density constraint, that forces the orbitals to retain their localization throughout the self-consistency cycle. In turn, this alleviates the multiple-solutions problem and facilitates the convergence towards the correct, lowest-energy solution both for complex and real SIC orbitals. The developments and investigations performed in this thesis pave the road towards a more wide-spread use of SIC-SCAN calculations in the future, allowing more accurate predictions within only moderate increases of computational cost.

Exploring the use of seedless blackcurrant pomace, a fibre-rich by-product of juice pressing, in foods is favourable due to its nutritional profile but also for economic and sustainability aspects. Current applications are limited to products in which rapid fibre swelling, high water solubility or low sedimentation is not essential. In this study, functional properties of seedless blackcurrant pomace were modified by thermo-mechanical treatments using extrusion cooking or micronization in a planetary ball mill. A full factorial design showed that low pomace moisture (11 g/100 g) had the highest impact on swelling capacity (+ 20.6%) and water solubility index (+ 23.2%), whereas variation in extrusion temperature exhibited only minor effects. After milling for 4 h, the median particle size was reduced by 98% to 4 µm and the specific surface area increased from 0.1 to 2.5 m2/mL. Swelling capacity was highest after this time with 7.6 mL/g pomace and, although the amount of extractable sugars was reduced, water solubility increased to 7.6 g/100 g. In contrast to extruded samples, the red colour of the pomace was intensified after milling. Both treatments appear as promising to extend the applicability of fruit by-products in foods, as micronized pomace may counteract sedimentation in liquids, whereas increased swelling capacity after extrusion may have stabilizing effects on yoghurt-like systems.

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An early evaluation in terms of circuit design is essential in order to assess the feasibility and practicability aspects for emerging nanotechnologies. Reconfigurable nanotechnologies, such as silicon or germanium nanowire-based reconfigurable field-effect transistors, hold great promise as suitable primitives for enabling multiple functionalities per computational unit. However, contemporary CMOS circuit designs when applied directly with this emerging nanotechnology often result in suboptimal designs. For example, 31% and 71% larger area was obtained for our two exemplary designs. Hence, new approaches delivering tailored circuit designs are needed to truly tap the exciting feature set of these reconfigurable nanotechnologies. To this effect, we propose six functionally enhanced logic gates based on a reconfigurable nanowire technology and employ these logic gates in efficient circuit designs. We carry out a detailed comparative study for a reconfigurable multifunctional circuit, which shows better normalized circuit delay (20.14%), area (32.40%), and activity as the power metric (40%) while exhibiting similar functionality as compared with the CMOS reference design. We further propose a novel design for a 1-bit arithmetic logic unit-based on silicon nanowire reconfigurable FETs with the area, normalized circuit delay, and activity gains of 30%, 34%, and 36%, respectively, as compared with the contemporary CMOS version.

Das 1K- und das 2K-Spritzgießverfahren dienen zur Herstellung thermoplastischer Sandwichstrukturen, deren Deck- und Kernschicht aus einer kurzglasfaserverstärkten Polypropylen-Folie sowie entweder kompaktem oder geschäumtem Polypropylen besteht. Zudem erfolgt die Herstellung der Schäume durch das CELLMOULD®-Verfahren mit einem physikalischen Treibmittel. Eine geeignete kurzfaserverstärkte PP-Folie wird aufgrund ihrer mikroskopischen, rheologischen und mechanischen Eigenschaften ausgewählt. Beim Schaumspritzgießen ermittelt die Drei-Wege-ANOVA den Einfluss der Werkzeugtemperatur, der Eingasungsmenge und der Einspritzgeschwindigkeit auf die Dichte sowie die Zelldichte und die Zellgröße der eingespritzten Schäume. Funktional gradierte Sandwichstrukturen lassen sich durch die Mikrostruktur-untersuchung evaluieren. Die mechanischen und spezifischen mechanischen Eigenschaften der eingespritzten Proben werden in der Arbeit durch die Biegeprüfung bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich faserverstärkte konventionelle PP-Folien mit 30 Gew.-% am besten für die Deckschichten eignen. Beim Schaumspritzgießen beeinflusst lediglich die Werkzeugtemperatur die Zelldichte und die Zellgröße. Funktional gradiertes Material ergibt sich bei der Sandwichstruktur, die durch 1K-Spritzgießen hergestellt wird. Aufgrund des Vorhandenseins einer geschäumten Lage, kompakter Lagen und kurzglasfaserverstärkter Lagen findet die Gradierung sich von der Mitte bis zu den Rändern der Proben statt. Das Vorhandensein von Schaumstrukturen verringert den Biegemodul und die Biegefestigkeit. Die Biegedehnung bei maximaler Biegespannung nimmt signifikant mit den vorhandenen Glasfasern ab. Die Sandwichstrukturen führen lediglich zur Erhöhung des Biegemoduls und der Biegefestigkeit gegenüber kompaktem und geschäumtem PP. Die Biegedehnung bei maximaler Biegespannung verhält sich bei den Sandwichstrukturen umgekehrt zum Biegemodul und der Biegefestigkeit. Beim Vergleich mittels unterschiedlicher Spritzgießverfahren produzierter Sandwichstrukturen haben die durch das 1K-Spritzgießverfahren hergestellten Proben einen niedrigeren Biegemodul und eine geringere Biegefestigkeit als die durch das 2K-Spritzgießverfahren produzierten. Jedoch zeigen die Sandwichstrukturen aus dem 1K-Spritzgießverfahren mit geschäumtem Kern den höheren spezifischen Biegemodul und die höhere spezifische Biegefestigkeit in Y-Richtung im Vergleich zu jenen aus dem 2K-Spritzgießverfahren. Außerdem weisen die verschiedenen Versagensarten der Sandwichstrukturen bei der Biegeprüfung und der Bestimmung der interlaminaren Scherfestigkeit keine Delamination zwischen Deck- und Kernschicht auf. Bei der Berechnung durch den modifizierten Gonzales-Ansatz und die Paralleltheorie zeigt sich, dass der E-Modul der Schäume und der Sandwichstrukturen fast identisch mit jenem aus den Experimenten ist. Allerdings ist die Berechnung der faserverstärkten Proben nicht möglich, daher wird der E-Modul aus den Experimenten verwendet, um die Durchbiegung im Rahmen einer Balkentheorie zu bestimmen. Die nahezu identische Durchbiegung aus dem Experiment und der Berechnung lässt sich auch durch die Euler-Bernoulli-Balkentheorie nachweisen. Die Arbeit zeigt auf, dass die Sprünge in der Steifigkeit und Festigkeit in jeder Lage von 1K-und 2K-spritzgegossenen Sandwichstrukturen abnehmen. Auf diese Weise lässt sich die Vermeidung der Delamination zwischen Deck- und Kernschicht erreichen. Die Dichte und die Materialmenge der Sandwichstrukturen reduzieren sich ohne signifikante Abnahme des spezifischen Biegemoduls und der spezifischen Biegefestigkeit. Mit der Verwendung von mechanischen Eigenschaften von Teilkomponenten der Sandwich-struktur können die Biegeeigenschaften der gradierten Sandwich-strukturen durch eine Berechnung vorausgesagt werden.:1 Einführung 2 Stand der Technik 3 Motivation und Ziel 4 Versuchsdurchführung 5 Ergebnisse und Diskussion 6 Zusammenfassung und Ausblick / The 1-component and 2-component injection moulding processes are employed to produce thermoplastic sandwich structures of which the skin and core layers comprise a short glass fibre-reinforced polypropylene film and either compact or foamed polypropylene, respectively. In addition, the foams are produced using the CELLMOULD® process with a physical blowing agent. A suitable short fibre reinforced PP film is selected on the basis of its microscopic, rheological and mechanical properties. In foam injection moulding, the three-way ANOVA determines the influence of the mould temperature, gas content and injection speed on the density as well as the cell density and cell size of the injected foams. Functionally graded sandwich structures can be proven by using the microstructure investigation. The mechanical properties and specific mechanical properties of the injected samples are determined by the three-point bending test. The results show that fibre-reinforced conventional PP films with 30 wt% are the most suitable for the skin layers. In the case of foam injection moulding, only the mould temperature influences the cell density and cell size of the injected foams. Functionally graded material results from the sandwich structure, which is produced by 1-component injection moulding process, because a foamed layer, compact layers and short glass fibres reinforced layers occur from the middle to the edges of these samples. The presence of foam structures reduces the flexural modulus and the flexural strength. The bending elongation at maximum bending stress decreases significantly with the existing glass fibres. The sandwich structures only increase the flexural modulus and the flexural strength compared to compact and foamed PP. The bending elongation at maximum bending stress behaves in the opposite way in the sandwich structures compared to the flexural module and the flexural strength. When comparing sandwich structures produced using different injection moulding processes, the sandwich structures produced by the 1-component injection moulding process have a lower flexural modulus and a lower flexural strength than those produced by the 2-component injection moulding process. However, the sandwich structures with foamed core from the 1-component injection moulding process show the higher specific flexural modulus and the higher specific flexural strength in Y-direction compared to those in the same direction from the 2-component injection moulding process. In addition, the various types of failure of the sandwich structures during the bending test and the determination of the interlaminar shear strength provide no delamination between the skin and core layers. The calculation suggests that the modulus of elasticity of the foams and the sandwich structures, calculated by the modified Gonzales approach and the parallel theory, respectively, is almost identical to that from the experiments. Nevertheless, the calculation of the fibres-reinforced samples cannot be achieved, hence, the modulus of elasticity of the fibres-reinforced samples from the experiments is used to determine the deflection based on a beam theory. The almost identical deflection from the experiment and the calculation can also be demonstrated by the Euler-Bernoulli beam theory.The work shows that the significant change in rigidity and strength decrease in each layer of 1-component and 2-component injection moulded sandwich structures. Thus, the avoidance of delamination between the skin and core layers can be achieved. The density and the amount of material in the sandwich structures are reduced without a significant decrease in the specific flexural modulus and the specific flexural strength. With the use of mechanical properties of subcomponents of the sandwich structure, the bending properties of the graded sandwich structures can be predicted by a calculation.:1 Einführung 2 Stand der Technik 3 Motivation und Ziel 4 Versuchsdurchführung 5 Ergebnisse und Diskussion 6 Zusammenfassung und Ausblick