Otto-von Guericke-Universität Magdeburg

Preisträger: Dr.-Ing. Marcus Aßmus

Thema der Dissertation:

Globale Strukturanalyse an Photovoltaik–Modulen – Theorie, Numerik, Anwendung

Betreuer: Prof. Dr. Michael Scheffler, Fakultät für Maschinenbau

Zusammenfassung:

Während Montage, Transport und Betrieb sind Photovoltaik-Module mechanischen Belastungen ausgesetzt. Aus diesem Grund sind Strukturanalysen zum Nachweis der Festigkeit und Dauerhaftigkeit erforderlich. Bisher kamen dazu Verfahren zum Einsatz die einen hohen Rechenaufwand und eine hohe Berechnungsdauer aufweisen. In dieser Arbeit wird daher ein effizientes Werkzeug für strukturmechanische Analysen an Photovoltaik-Modulen entwickelt.

Der in dieser Arbeit genutzte konzeptionelle Rahmen basiert zunächst auf einer Abstraktion, um eine mechanische Theorie für dreilagige Kompositionsstrukturen mit stark differierenden Geometrie- und Materialparametern herzuleiten. Die theoretischen Grundlagen basieren auf einem fünf-parametrigen, planaren Kontinuum, das eine pragmatische Version der COSSERAT-Schale darstellt. Der hier genutzte direkte Ansatz wird erweitert, wobei Zwänge zur Kopplung einzelner

Kontinua eingeführt werden, woraus eine lagenweise Theorie resultiert. Einschränkungen werden hinsichtlich geometrischer und physikalischer Linearität getroffen. Nachdem geeignete Variablen für Kinematik und Kinetik definiert wurden, wird das Verhalten linear elastischer Materialien berücksichtigt, wobei die Steifigkeitstensoren im Kontext isotropen Verhaltens aller Lagen eingeführt werden.

Analytische Lösungen von derartigen Randwertproblemen sind üblicherweise mit starken Einschränkungen möglicher Randbedingungen verbunden. Um Näherungslösungen zu konstruieren wird ein Variationsprinzip als Grundlage für numerische Lösungen genutzt, wobei in Folge die Finite-Elemente-Methode Anwendung findet. Auf den planaren Betrachtungen basierend, wird ein achtknotiges SERENDIPITY-Element mit erweiterten Freiheitsgraden realisiert. Um künstliche Versteifungseffekte

zu unterbinden, werden verschiedene Integrationsschemata angewandt.

In diesem Rahmen ist es möglich das globale Strukturverhalten von Photovoltaik-Modulen effektiv zu bestimmen, welches, zumindest bis zu einem gewissen Grad, effizient berechnet werden kann. Die Leistungsfähigkeit der eingeführten Methode in Kombination mit dem numerischen Lösungsansatz wird für mehrere Fall- und Parameterstudien demonstriert. Dabei werden optimale Geometrie- und Materialparameter zur Steifigkeitssteigerung analysiert und Ergebnisse von kinematischen und kinetischen Größen diskutiert.

Die entwickelte Strategie erweist sich im Konzeptions- und Entwicklungsprozess als besonders nützlich. Das mechanische Verhalten von Photovoltaik-Modulen kann mittels der numerischen Lösungsmethodik zeitsparend und unkompliziert vorausberechnet werden, womit ebenfalls hohe Kosten für experimentelle Analysen eingespart werden können.

Hochschule Magdeburg-Stendal

Preisträger: Tino Fauk

Thema der Bachelorarbeit:

Anlagenkonzept zur Zucht von Insekten mit Ziel der Produktion von Futter-, Nahrungs- und Düngemitteln in urbanen Brachen am Beispiel einer ehemaligen Filiale des Lebensmitteleinzelhandels am Standort Niederndodeleben

Betreuer: Prof. Dr. Petra Schneider, Fachbereich Wasser-Umwelt-Bau-Sicherheit

Zusammenfassung:

Die Arbeit befasst sich maßgeblich mit der Revitalisierung von Brachen durch effiziente Raum- und Energienutzung bei gleichzeitiger Herstellung von hochwertigen Produkten, bis hin zur zukunftsorientierten Nahrungsmittelgewinnung.

Warum stellt das Wachstum der Menschheit eine derartige Herausforderung dar?

Die stetige Zunahme der Weltbevölkerung verbraucht mehr und mehr Raum. Für diesen Raum- bzw. Flächengewinn werden zunehmend intakte Ökosysteme zerstört. Natürlicher Lebensraum schwindet und Arten sterben aus. Darum ist es wichtig, bereits versiegelte Flächen einem neuen Nutzen zuzuführen, d.h. zu revitalisieren. Für die Gewinnung von Nahrungs- und Futtermitteln werden ebenfalls Flächen in Anspruch genommen, Meere leer gefischt, Urwälder zerstört, der Boden und das Grundwasser mit Nährstoffen belastet. Ein übermäßiger Einsatz von Pflanzenschutzmittel führt zur Verringerung der Biodiversität, die ohnehin schon durch das monokulturelle Raum-Zeit-Mosaik stark eingeschränkt ist.

Diese Aspekte sind bei der Erarbeitung meiner Forschungsarbeit eingeflossen und dienten zur Konzeptionierung einer zukunftsorientierten Nutzung von Ressourcen. Urbane Landwirtschaft oder Urban Farming ist ein Oberbegriff für verschiedene Weisen der primären Lebensmittelproduktion in urbanen Ballungsgebieten und deren unmittelbarer Umgebung für den Eigenbedarf der jeweiligen Region. Er umfasst neben städtischen Formen des Gartenbaus auch Tierhaltung in urban geprägten Gebieten. Der Begriff geht über die bekannten Formen des urbanen Gartenbaus hinaus und beinhaltet z. B. auch Ackerbau und Tierhaltung, sofern sie im Stadtgebiet und peri-urbanen Zonen betrieben werden. Die urbane Landwirtschaft wird als ein maßgeblicher Baustein zur Lösung der Ernährungsprobleme in der Welt gesehen. Es können wie im „klassischen“ Urban Farming/ Gardening, Nahrungsmittel pflanzlicher Herkunft angebaut oder auch Pilze gezüchtet werden. Dies sind ebenfalls Konzepte, die für ein zukunftsorientiertes Design von urban industriellen Agglomerationsräumen immer wichtiger werden.

In meiner Forschungsarbeit habe ich den Fokus auf Proteine und Lipide tierischen Ursprungs gelegt, mit dem Ziel eine effiziente Gewinnung von wertgebenden Komponenten auf möglichst ökologischem Wege zu realisieren. Dies soll mit ausgewählten Insektenarten geschehen, welche später ggf. um weitere Arten und Industriesymbiosen ergänzt werden können. Die Zucht und Produktion bestimmter Insektenarten verbraucht laut der Welternährungsorganisation bis zu zwölfmal weniger Futter als die der äquivalenten Menge Rindfleisch, wodurch der Wasser- und Flächenverbrauch in signifikantem Umfang verringert werden kann. Dabei wird bei der gleichen erzeugten Proteinmenge nur etwa ein Hundertstel der Treibhausgasmenge emittiert. Untersucht wurden der Mehlkäfer Tenebrio molitor und die Steppengrille Gryllus assimilis, sowie die Wüstenheuschrecke Schistocerca gregaria. Diese Arten sind als Standard-Lebendfuttermittel anzusehen und finden auch in Snackboxen Verwendung. Für diese Arten liegen zahlreiche Studien vor, in denen die nutritiven Eigenschaften der wertgebenden Komponenten aufgezeigt wurden. Auch ist das Aminosäurespektrum ausgewogen und kann mit Fischmehl und Sojaextraktionsschrot in der Futtermittelindustrie konkurrieren. Für diese Arten konzipierte ich ein Anlagenkonzept, dass prinzipiell eine automatisierte Insektenzucht zulässt. Für die Automatisierung war die Konstruktion von artspezifischen Reaktoren notwendig. Diese ermöglichen die Produktion von großen Massen an Insekten auf kleinem Raum bei marginalem Verbrauch von Ressourcen. Die Erfahrungen zur Haltung und Zucht konnte ich bei einem Praktikum im Zoo Magdeburg und in eigenen Versuchen in meinen vier Wänden sammeln. Da diese Thematik zu umfangreich für den Rahmen einer Bachelorarbeit ist, erarbeitet mein Kommilitone und Mitstreiter Jonas Kannengießer eine Stoffstromanalyse basierend auf dem Anlagenkonzept. Die vergangenen Monate führten dazu, dass erste Forschungsarbeit nun in die Praxis überführt werden soll. Unsere Gründungsaktivität im Land Sachsen-Anhalt soll die Ressourcenbasis schonen und sukzessive eine biobasierte Produktpalette auf den Markt bringen.

Mit dem Masterstudiengang Ingenieurökologie der Hochschule Magdeburg werden wir diese Thematik weiterverfolgen und junge Wissenschaftler dazu animieren, Ressourcen zu schonen und Symbiosen zwischen sub-, urbanen Verdichtungsräumen inklusive Industrien und natürlichen oder naturnahen Ökosystemen voranzutreiben.

Hochschule Harz

Preisträger: Kai Ludwig

Thema der Masterarbeit:

Separation annotierter Features – Ein Ausweg aus der #ifdef-Hölle?

Betreuer: Prof. Dr. Thomas Leich, Fachbereich Automatisierung und Informatik

Zusammenfassung:

Software-Produktlinien ermöglichen individualisierte Massenfertigung von Software bei gleichzeitiger Senkung der Entwicklungszeiten, Verringerung der Entwicklungskosten und Steigerung der Produktqualität. Software-Produktlinien gänzlich neu einzuführen ist für die Mehrheit von Softwareherstellern zu kostenintensiv und risikobehaftet. Aus diesem Grund werden meist bestehende Softwareprodukte schrittweise zu Produktlinien transformiert. Dabei müssen die innerhalb der verschiedenen Produkte vorhandenen Funktionalitäten (Features) aus den Quelltexten extrahiert werden, um in einer Software-Produktlinie systematisch wiederverwendet werden zu können. Die Schwierigkeit hierbei besteht jedoch darin, die Eignung der Features für diesen Vorgang vorab zu erkennen. Bereits in Softwareprojekten mittlerer Größe ist dies ohne automatisierte Analyse nicht zu leisten.

Zur Lösung dieses Problems wurde im Rahmen der Masterarbeit ein Werkzeug entwickelt, das zum einen derartige Extraktionen von Features automatisch durchführt und zum anderen Entwickler/innen bei der Auswahl geeigneter Features unterstützt. Dies erfolgt auf Basis eines im Rahmen der Arbeit entwickelten Kennzahlensystems, mit dem das Werkzeug die Eignung der analysierten Features für die Verwendung in einer Software-Produktlinie bewertet.

Die Relevanz der Masterarbeit für Praxis und Forschung wird insbesondere durch die Anwendung des Werkzeugs auf etablierte, internationale Softwareprojekte in Form von Fallstudien unterstrichen. Anhand der Studienergebnisse werden zugleich neue Chancen aber auch Risiken für Migrationen traditionell entwickelter Softwaresysteme hin zu einer Produktlinienstrategie aufgezeigt.

Hintergrund: Seit dem Jahr 2002 schreibt die IHK Magdeburg jährlich einen Forschungspreis für die Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg sowie die Hochschulen Magdeburg-Stendal und Harz aus, der mit jeweils 2.000 Euro dotiert ist. Mit diesem Preis sollen wissenschaftliche und anwendungsorientierte Arbeiten ausgezeichnet werden, die einen Beitrag zur zukünftigen Entwicklung der gewerblichen Wirtschaft leisten. Ziel ist es, herausragende technisch-technologische sowie betriebs- oder volkswirtschaftliche Untersuchungen und Konzepte vornehmlich des wissenschaftlichen Nachwuchses zu prämieren, die Lösungsansätze für eine nachhaltige Wirtschaftsentwicklung aufzeigen.