Clay formations are investigated worldwide as potential host rock for the deep geological disposal of high-level radioactive waste (HLW). Usually bentonite is preferred as the buffer and backfill material in the disposal system. In the disposal of HLW, heat emission is one of the most important issues as it can generate a series of complex thermo-hydro-mechanical (THM) processes in the surrounding materials and thus change the material properties. In the context of safety assessment, it is important to understand the thermally induced THM interactions and the associated change in material properties. In this work, the thermally induced coupled THM behaviours in the clay host rock and in the bentonite buffer as well as the corresponding coupling effects among the relevant material properties are numerically analysed. A coupled non-isothermal Richards flow mechanical model and a non-isothermal multiphase flow model were developed based on the scientific computer codes OpenGeoSys (OGS). Heat transfer in the porous media is governed by thermal conduction and advective flow of the pore fluids. Within the hydraulic processes, evaporation, vapour diffusion, and the unsaturated flow field are considered. Darcy’s law is used to describe the advective flux of gas and liquid phases. The relative permeability of each phase is considered. The elastic deformation process is modelled by the generalized Hooke’s law complemented with additional strain caused by swelling/shrinkage behaviour and by temperature change. In this study, special attention has been paid to the analysis of the thermally induced changes in material properties. The strong mechanical and hydraulic anisotropic properties of clay rock are described by a transversely isotropic mechanical model and by a transversely isotropic permeability tensor, respectively. The thermal anisotropy is described by adoption of the bedding-orientation-dependent thermal conductivity. The dependency of the thermal conductivity on the degree of water saturation, the dependency of the thermal effects on the water retention behaviour, and the dependency of the effects of the pore pressure variation on the permeability and the anisotropic swelling/shrinkage behaviour have been intensively analysed and the corresponding numerical models to consider those coupling effects have been developed. The developed numerical model has been applied to simulate the laboratory and in situ heating experiments on the bentonite and clay rock at different scales. Firstly the laboratory heating experiment on Callovo-Oxfordian Clay (COX) and the laboratory long-term heating and hydration experiment on MX80 pellets were simulated. Based on the knowledge from the numerical analysis of the laboratory experiments, a 1:2 scale in situ heating experiment of an integrated system of the bentonite engineered barrier system (EBS) in the Opalinus Clay host rock was simulated. All the relevant operation phases were considered in the modelling. Besides, the modelling was extended to 50 years after the heat shut-down with the aim of predicting the long-term behaviours. Additionally, variation calculations were carried out to investigate the effects of the storage capacity of the Opalinus Clay on the thermally induced hydraulic response. In the long-term modelling, the effects of different saturated water permeabilities of buffer material on the resaturation process were analysed. Based on the current researches and model developments, the observed THM behaviours of the bentonite buffer and the clay rock, that is, the measured evolution of temperature, pore pressure, humidity, swelling pressure, and so on in the laboratory and in situ experiments can be reproduced and interpreted well. It is proved that by using both a non-isothermal multiphase flow model and a non-isothermal Richards flow model combined with the corresponding thermal and mechanical models, the major THM behaviours can be captured. It is validated that the developed model is able to simulate the relevant coupled THM behaviours of clayey material under the well-defined laboratory conditions as well as under the complex natural disposal conditions.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung generischer Synchronisierungsphänomene in interagierenden komplexen Systemen. Diese Phänomene werden u.a. in gekoppelten deterministischen chaotischen Systemen beobachtet. Bei sehr schwachen Interaktionen zwischen individuellen Systemen kann ein Übergang zum schwach kohärenten Verhalten der Systeme stattfinden. In gekoppelten zeitkontinuierlichen chaotischen Systemen manifestiert sich dieser Übergang durch den Effekt der Phasensynchronisierung, in gekoppelten chaotischen zeitdiskreten Systemen durch den Effekt eines nichtverschwindenden makroskopischen Feldes.<br /> Der Übergang zur Kohärenz in einer Kette lokal gekoppelter Oszillatoren, beschrieben durch Phasengleichungen, wird im Bezug auf die Symmetrien des Systems untersucht. Es wird gezeigt, daß die durch die Symmetrien verursachte Reversibilität des Systems nichttriviale topologische Eigenschaften der Trajektorien bedingt, so daß das als dissipativ konstruierte System in einem ganzen Parameterbereich quasi-Hamiltonische Züge aufweist, d.h. das Phasenvolumen ist im Schnitt erhalten, und die Lyapunov-Exponenten sind paarweise symmetrisch.<br /> Der Übergang zur Kohärenz in einem Ensemble global gekoppelter chaotischer Abbildungen wird durch den Verlust der Stabilität des entkoppelten Zustandes beschrieben. Die entwickelte Methode besteht darin, die Selbstkonsistenz des makroskopischen Feldes aufzuheben, und das Ensemble in Analogie mit einem Verstärkerschaltkreis mit Rückkopplung durch eine komplexe lineare Übertragungssfunktion zu charakterisieren.<br /> Diese Theorie wird anschließend für einige theoretisch interessanten Fälle verallgemeinert. / Subject of this work is the investigation of generic synchronization phenomena in interacting complex systems. These phenomena are observed, among all, in coupled deterministic chaotic systems. At very weak interactions between individual systems a transition to a weakly coherent behavior of the systems can take place. In coupled continuous time chaotic systems this transition manifests itself with the effect of phase synchronization, in coupled chaotic discrete time systems with the effect of non-vanishing macroscopic mean field.<br /> Transition to coherence in a chain of locally coupled oscillators described with phase equations is investigated with respect to the symmetries in the system. It is shown that the reversibility of the system caused by these symmetries results to non-trivial topological properties of trajectories so that the system constructed to be dissipative reveals in a whole parameter range quasi-Hamiltonian features, i.e. the phase volume is conserved on average and Lyapunov exponents come in symmetric pairs.<br /> Transition to coherence in an ensemble of globally coupled chaotic maps is described with the loss of stability of the disordered state. The method is to break the self-consistensy of the macroscopic field and to characterize the ensemble in analogy to an amplifier circuit with feedback with a complex linear transfer function.<br /> This theory is then generalized for several cases of theoretic interest.

Clay formations are investigated worldwide as potential host rock for the deep geological disposal of high-level radioactive waste (HLW). Usually bentonite is preferred as the buffer and backfill material in the disposal system. In the disposal of HLW, heat emission is one of the most important issues as it can generate a series of complex thermo-hydro-mechanical (THM) processes in the surrounding materials and thus change the material properties. In the context of safety assessment, it is important to understand the thermally induced THM interactions and the associated change in material properties. In this work, the thermally induced coupled THM behaviours in the clay host rock and in the bentonite buffer as well as the corresponding coupling effects among the relevant material properties are numerically analysed. A coupled non-isothermal Richards flow mechanical model and a non-isothermal multiphase flow model were developed based on the scientific computer codes OpenGeoSys (OGS). Heat transfer in the porous media is governed by thermal conduction and advective flow of the pore fluids. Within the hydraulic processes, evaporation, vapour diffusion, and the unsaturated flow field are considered. Darcy’s law is used to describe the advective flux of gas and liquid phases. The relative permeability of each phase is considered. The elastic deformation process is modelled by the generalized Hooke’s law complemented with additional strain caused by swelling/shrinkage behaviour and by temperature change. In this study, special attention has been paid to the analysis of the thermally induced changes in material properties. The strong mechanical and hydraulic anisotropic properties of clay rock are described by a transversely isotropic mechanical model and by a transversely isotropic permeability tensor, respectively. The thermal anisotropy is described by adoption of the bedding-orientation-dependent thermal conductivity. The dependency of the thermal conductivity on the degree of water saturation, the dependency of the thermal effects on the water retention behaviour, and the dependency of the effects of the pore pressure variation on the permeability and the anisotropic swelling/shrinkage behaviour have been intensively analysed and the corresponding numerical models to consider those coupling effects have been developed. The developed numerical model has been applied to simulate the laboratory and in situ heating experiments on the bentonite and clay rock at different scales. Firstly the laboratory heating experiment on Callovo-Oxfordian Clay (COX) and the laboratory long-term heating and hydration experiment on MX80 pellets were simulated. Based on the knowledge from the numerical analysis of the laboratory experiments, a 1:2 scale in situ heating experiment of an integrated system of the bentonite engineered barrier system (EBS) in the Opalinus Clay host rock was simulated. All the relevant operation phases were considered in the modelling. Besides, the modelling was extended to 50 years after the heat shut-down with the aim of predicting the long-term behaviours. Additionally, variation calculations were carried out to investigate the effects of the storage capacity of the Opalinus Clay on the thermally induced hydraulic response. In the long-term modelling, the effects of different saturated water permeabilities of buffer material on the resaturation process were analysed. Based on the current researches and model developments, the observed THM behaviours of the bentonite buffer and the clay rock, that is, the measured evolution of temperature, pore pressure, humidity, swelling pressure, and so on in the laboratory and in situ experiments can be reproduced and interpreted well. It is proved that by using both a non-isothermal multiphase flow model and a non-isothermal Richards flow model combined with the corresponding thermal and mechanical models, the major THM behaviours can be captured. It is validated that the developed model is able to simulate the relevant coupled THM behaviours of clayey material under the well-defined laboratory conditions as well as under the complex natural disposal conditions.

Gekoppelte Umlaufrädergetriebe bilden den Antriebsstrang von Orbital- Bearbeitungsmaschinen (OBM). Aufgrund der Variantenzahl einsetzbarer Umlaufrädergetriebekombinationen ist die konstruktive Auslegung dieser Antriebsstränge anspruchsvoll. Der Vortrag liefert unter Verwendung der Mehrkörpersimulation (Software: SIMULATION X) einen Beitrag einer systematischen Herangehensweise zur Ermittlung wesentlicher Eingangsgrößen der komplexen Getriebedimensionierung. Aussagen über wirksame Drehmomente, Drehzahlen, Verzahnungskräfte und Verlagerungen des TCP unter spezieller Betrachtung des dynamischen Systemverhaltens der Antriebsstränge werden getroffen. Variantenrechnungen ermöglichen zudem den Vergleich verschiedener Getriebe- und Maschinenelementkonfigurationen. Vertiefend wird auf die erweiterte Modellierung der Besonderheiten der Getriebearchitektur mit spielbehafteten, gekoppelten Umlaufrädergetriebe und diverser Maschinenelemente, z.B. Hauptspindellagerung oder Wälzschraubtriebe, eingegangen. Maßnahmen der Modellvereinfachung mit dem Ziel reduzierter Rechenzeiten bei erhöhter Modellrobustheit werden dargestellt. Richtlinien der Modellverifikation sowie Konstruktionsvorgaben für den getriebebasierten Nebenantriebsstrang werden abschließend geschlussfolgert.

Im Rahmen dieser Arbeit werden Gleichungen und Methoden zur Berechnung nicht-koaxial gekoppelte, insbesondere offener Umlaufrädergetriebe erweitert. Eine Formelsammlungen fasst bekannte und neue Gleichungen für offene und rückkehrende Umlaufrädergetriebe zusammen. Ein methodischer Ansatz der Getriebesynthese (Ermittlung von Übersetzungen und Zähnezahlen) für derartige, im Dreiwellenbetrieb genutzte Getriebe, wird unter Beachtung definierter Mindestanforderungen entwickelt. Die neuen Berechnungstheorien und Methoden der Getriebesynthese werden am Beispiel der Herleitung optimaler Getriebekonfigurationen für die Antriebsstränge von Orbital-Bearbeitungsmaschinen gezeigt und mittels Systemsimulation verifiziert. Einsatzgrenzen sowie Konstruktionsrichtlinien werden für diese Maschinengattung abgeleitet.:1 Einleitung der Arbeit 2 Grundlagen der Umlaufrädergetriebe 3 Berechnung der Umlaufrädergetriebe 4 Orbital-Bearbeitungsmaschine 5 Getriebesynthese 6 Systemsimulation einer Orbital-Bearbeitungsmaschine 7 Schlussbetrachtungen der Arbeit Anlagen / In this paper, equations and methods for the calculation of non-coaxially coupled, in particular open planetary gearboxes are extended. A collection of formulas summarizes known and new equations for open and standard planetary gearboxes. A methodical approach of gear synthesis (determination of ratios and numbers of teeth) for such gearboxes driven in three-shaft operation is developed under consideration of defined minimum requirements. The new calculation theories and methods of gear synthesis are demonstrated using the example of deriving optimal gear configurations for the drive trains of orbital machining centres and verified by means of system simulation. Application limits and design guidelines are derived for this type of machine tool.:1 Einleitung der Arbeit 2 Grundlagen der Umlaufrädergetriebe 3 Berechnung der Umlaufrädergetriebe 4 Orbital-Bearbeitungsmaschine 5 Getriebesynthese 6 Systemsimulation einer Orbital-Bearbeitungsmaschine 7 Schlussbetrachtungen der Arbeit Anlagen

Ein kompetitiver ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay) für den Nachweis von Carbamazepin (CBZ) mit einer Bestimmungsgrenze von ca. 30 ng/L wurde entwickelt und validiert. Dieser in Gewässern häufig auftretende anthropogene Marker wurde anschließend in einer Vielzahl an Proben aus Abwässern, Oberflächengewässern und Trinkwässern nachgewiesen. Der ELISA zeigte eine exzellente Präzision und erbrachte in allen Matrizes geringfügig höhere Analysenergebnisse als die Referenzmethode HPLC-MS/MS. Die beständige Überbestimmung der CBZ-Konzentration in Höhe von ca. 7 % konnte auf die Präsenz von Cetirizin und geringen Mengen des persistenten Metaboliten 10,11 Epoxy¬carbamazepin (EP-CBZ) zurückgeführt werden. Die Bindungseigenschaften des verwendeten Antikörpers wurden anhand der Kreuz¬reaktivi¬täten von 37 Substanzen eingehend untersucht. Nach Kopplung von Flüssig¬chromato¬graphie und ELISA konnte das strukturell nicht mit CBZ verwandte Anti¬histaminikum Cetirizin als Kreuzreaktand identifiziert werden. Der störende Einfluss dieses Kreuz¬reaktanden auf den CBZ-ELISA konnte nach einer Änderung des pH-Wertes im Proben¬puffer minimiert werden. Die pH-abhängige Selektivitätssteuerung ermöglichte überdies die Entwicklung eines Dual-Analyt-Immunoassays für die parallele Bestimmung von CBZ und Cetirizin. Darüber hinaus wurden die Metaboliten EP-CBZ, DiOH-CBZ, 2-OH-CBZ, 3-OH-CBZ und 10 OH-CBZ in Abwasser, Oberflächenwasser und Trinkwasser quantifiziert. DiOH-CBZ erwies sich als ähnlich persistent wie CBZ und wurde in besonders hohen Konzentrationen gefunden. Außerdem wurden mehrere weitere bislang nicht identifizierte Abbauprodukte von CBZ gefunden. Da weder Probenvorbereitung noch Probenanreicherung erforderlich sind, ist der Test schnell und kostengünstig durchführbar. Die für den Test nötigen Probenvolumen sind mit weniger als 1 mL sehr gering. Diese Eigenschaften erlauben ein Hochdurchsatzscreening und machen die Methode interessant für den Einsatz im Gewässermonitoring. / A competitive ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) for the quantitation of carbamazepine (CBZ) was developed and validated. A limit of quantitation (LOQ) of ca. 30 ng/L allowed for the quantitation of CBZ in many samples from wastewater, surface water and drinking water. The method was found to be excellently precise, but it displayed slightly higher results than obtained by the reference method liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). The nearly constant overestimation of 7 % could be attributed to the presence of small amounts of cetirizine and the persistent metabolite 10,11 epoxy¬carbamazepine (EP-CBZ). The binding properties of the antibody were studied by determining the cross-reactivities of 37 compounds. Hyphenating liquid chromatography to ELISA led to the discovery of the cross-reactive antihistamine cetirizine that shares no obvious structural similarity with CBZ. The bias caused by cetirizine was eliminated by changing the pH value of the sample buffer. Moreover, the antibody’s pH-dependent selectivity enabled a dual-analyte immunoassay for the parallel determination of CBZ and cetirizine. Furthermore, the metabolites EP-CBZ, DiOH-CBZ, 2-OH-CBZ, 3-OH-CBZ and 10-OH-CBZ were quantified in wastewater, surface water and drinking water. DiOH-CBZ showed the highest concentrations of all analaytes investigated and was found to be equally persistent as CBZ. In addition, several further degradation products of CBZ were found that could not be identified. The ELISA allowed the detection of diurnal and seasonal fluctuations of analyte concentrations in wastewater and surface water. The anthropogenic marker CBZ enabled to trace wastewater from the source to the receiving waters. Since neither sample pretreatment nor enrichment is necessary, the method is very fast and cost-effective. Only a small sample volume (less than 1 mL) is needed making this ELISA an appropriate high-throughput screening tool for environmental monitoring.

Koffein (1,3,7-Trimethylxanthin) und Coprostanol (5beta-cholestan-3beta-ol) wurden im Berliner Oberflächenwasser nachgewiesen. Ihre Konzentrationen korrelierten mit dem Verunreinigungsgrad der Proben, was nahelegt, dass sie sich als Marker für menschliche Aktivität eignen. Bemerkenswerterweise wurde Koffein in jeder einzelnen Oberflächenwasserprobe oberhalb der Bestimmungsgrenze von 0,025 µg/L gefunden. Um Oberflächenwasserproben in größeren Serien zu untersuchen, war die Entwicklung zweier neuer Methoden erforderlich: ein Immunoassay, basierend auf einem monoklonalen Antikörper für Koffein und eine dispersive flüssig-flüssig Mikroextraktionsmethode (DLLME), gefolgt von Flüssigkeitschromatographie gekoppelt mit Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) für Coprostanol. Der entwickelte Koffein-Immunoassay zeigt die beste je erhaltene Nachweisgrenze für Koffein (0,001 µg/L), erlaubt Hochdurchsatz-Analysen und erfordert keine Probenvorbereitung. Der Assay wurde auch erfolgreich für die Messung von Koffein in Getränken, Haarwaschmitteln, Koffeintabletten und menschlichem Speichel angewendet. Antikörper gegen Coprostanol sind nicht kommerziell erhältlich. Eine neue Strategie Anti-Coprostanol-Antikörper zu generieren wurde erarbeitet, die eine analoge Verbindung – Isolithocholsäure (ILA) – als Hapten verwendet, mit der eine Gruppe von Mäusen immunisiert wurde. Ein polyklonales Anti-ILA-Serum wurde produziert, welches Coprostanol bindet, aber die niedrige Affinität erlaubte nicht den Aufbau eines Immunoassays, der die Messung von Umweltkonzentrationen des Anayten (im Bereich ng/L) zulässt. Spezifische Anti-ILA-Immunglobuline G wurden auch in den Faeces der Mäuse gefunden. Coprostanol wurde in den Wasserproben durch die Verwendung einer neuentwickelten LC-MS/MS-Methode unter APCI-Ionisation (atmospheric pressure chemical ionisation) gemessen. Konzentrationen oberhalb von 0,1 µg/L wurden nach Voranreicherung der Probe mittels DLLME bestimmt. / Caffeine (1,3,7-trimethylxanthine) and coprostanol (5beta-cholestan-3beta-ol) were detected in samples of Berlin’s surface water. Their concentrations correlated with the contamination status of the samples, suggesting their usefulness as markers of human activity. Remarkably, caffeine concentrations were always well above the limit of quantitation of 0.025 µg/L. In order to screen surface water samples in larger series, the development of two novel methods was required: a monoclonal antibody-based immunoassay for caffeine and a dispersive liquid-liquid microextraction (DLLME) method, followed by liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) for coprostanol. The caffeine immunoassay developed shows the best analytical limit of detection (LOD) obtained so far for caffeine (0.001 µg/L), allows high-throughput analysis, and does not require sample pre-treatment. The assay was also successfully employed to measure caffeine in beverages, shampoos, caffeine tab-lets, and human saliva. Antibodies to coprostanol are not commercially available. A new strategy to generate anti-coprostanol antibodies was elaborated using an analogous com-pound as hapten – isolithocholic acid (ILA) – and immunizing a group of mice. A polyclonal anti-ILA serum was produced, which binds coprostanol but the low affinity did not permit setting up an immunoassay to measure environmental concentrations of the analyte (in the range of ng/L). Specific anti-ILA immunoglobulin G were also found in the faeces of the immunized mice. Coprostanol was quantified in the water samples using a newly developed LC-MS/MS method using atmospheric pressure chemical ionisation (APCI). Concentrations above 0.1 µg/L were determined after sample preconcentration using DLLME. This extraction method also proved to be successful for enrichment of coprostanol-related compounds such as cholesterol, cholestanol, cholestanone, ergosterol, and stigmasterol.