ICP Research Report 2021 by ZHAW School of Engineering

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CFD-Simulationsdarstellung einer Heatpipe mit 100 °C Heizungstemperatur und über Aluminiumkühlrippen erzwungener Luftkühlung.

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Vorwort Computational Physics & Künstliche Intelligenz Wir erleben eine Phase von überaus aktiver Forschungstätigkeit zum Thema der künstlichen Intelligenz. Einige Praxisanwendungen werden von Grosskonzernen bereits extensiv eingesetzt, während für kleine und mittlere Unternehmen der Nutzen dieser neuen Technologie noch nicht klar ist. An der ZHAW entsteht gerade das Zentrum für künstliche Intelligenz (https://www.zhaw.ch/cai/), dem wir viel Erfolg wünschen und mit dem wir in Zukunft gerne eng zusammenarbeiten werden. Welche Bedeutung hat diese Entwicklung für das ICP? Welche Projekte gibt es zu diesem Thema? Und was könnten unsere Beiträge sein, die wir in Zukunft aus dem ICP heraus auf diesem aufstrebenden Gebiet leisten könnten? Aktuell gibt es dazu am ICP zwei Projekte. Sie werden auf Seite 29 und 41 im Detail dargestellt. Evelyne Knapp legt in Abschnitt 5 die Basis für die weiterführende Diskussion über die Verschmelzung von computergestützter Physik und künstlicher Intelligenz. Dabei wird der aktuelle Stand der Forschung zusammengefasst und die oben gestellten Fragen geordnet. Am ICP bauen wir derzeit unser Partnernetzwerk aus und überlegen uns, welche Anwendungen für Industriepartner erfolgversprechend sind. Alle sollten sich aktiv an der Diskussion beteiligen. Die Covid-19-Pandemie hat viel von uns abverlangt und unser Arbeitsumfeld drastisch verändert. Ich möchte mich für den ausserordentlich grossen Einsatz, der am ICP geleistet wurde, bedanken. Wir haben einen Modus gefunden, wie man auch in der Remote-Zusammenarbeit produktiv vorankommt. Wir sehnen uns aber auch danach, uns wieder regelmässig persönlich zu treffen. Gerne möchte ich dazu aufrufen, das Zurückkommen aktiv mitzugestalten. Wir müssen wohl weiter experimentieren mit Hybrid-Meetings und vielleicht auch in den Formen des sozialen Austauschs. Vielleicht braucht es ein aufmerksames Hinschauen auf Versäumnisse und Defizite, die sich in der Home-Office-Zeit ergeben haben, vielleicht unkonventionelle spontane Aktionen. Pflegen wir einen gesunden Optimismus und einen guten menschlichen Kontakt. In diesem Sinn ein herzliches «Welcome back!» in der Hoffnung, dass wir uns am Standort in Winterthur bald wieder treffen können.

Andreas Witzig, Institutsleiter ICP

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Inhaltsverzeichnis Vorwort

Inhaltsverzeichnis

Multiphysik-Modellierung 1.1

PM-ASPV: simulationsbasierte Analyse eines magnetisch kontrollierten freischwebenden Magneten ................................................................................................ 2

1.2

Pulverbeschichtung: simulationsbasierte Prototypentwicklung neuartiger Pulverbeschichtungsdüsen ................................................................................................. 3

1.3

Entwicklung einer Rohrsensorplattform für Inline-Prozessüberwachung ........................... 4

1.4

Simulationsbasierte Kalibrierung von Infusionssystemen ................................................... 5

1.5

CFD-Modellierung von Tropfenaufprall in eine ruhende Flüssigkeit ................................... 6

1.6

Entwicklung eines Multiphysikmodells für Pulverbeschichtungsverfahren mit beweglichen Pistolen .......................................................................................................... 7

1.7

Thermophoretische Kraft auf Schwebeteilchen .................................................................. 8

1.8

Dreidimensionale Modellierung von Pulverschneelawinen................................................. 9

1.9

3D-Porenmikrostrukturen und Computersimulation: effektive Permeabilitäten und Kapillardruck bei der Entwässerung in Opalinuston ......................................................... 10

1.10 Modellbasierte Optimierung von MIEC-SOFC-Anoden .................................................... 11 1.11 Massive Simultaneous Cloud Computing (MSCC) für datengetriebene Optimierung von SOFC-Elektroden ....................................................................................................... 12 1.12 Modellbasierte Entwicklung keramischer Filter für Masken, Luftreiniger und Klimaanlagen .................................................................................................................... 13 1.13 Effizientes, thermisches Modell zur präzisen Vorhersage der Schweisszeit beim Infrarot-Schweissen von Kunststoffrohren ........................................................................ 14 1.14 Entwicklung eines neuartigen IR-Heizungskonzepts für das kontaktlose Schweissen von Kunststoffrohren ......................................................................................................... 15 1.15 Effektive Wärmeleitfähigkeit und CFD-Implementierung einer Heatpipe ......................... 16 1.16 Simulation der Hüllentemperatur eines Heissluftballons .................................................. 17 1.17 Lebensdauer von Goldkontaktkomponenten unter adhäsiver Verschleissbelastung ....... 18 1.18 Erweiterte Peridynamik-Fähigkeit bei der Vorhersage von mechanischen Fehlern ......... 19 1.19 Kopplung von XFEM und Peridynamik zur Sprödbruchsimulation – Teil I: Machbarkeit und Effektivität ................................................................................................................... 20 1.20 Kopplung von XFEM und Peridynamik zur Sprödbruchsimulation – Teil II: Adaptive Verlagerungsstrategie ....................................................................................................... 21 2

Elektrochemische Zellen und Mikrostrukturen

2.1

Makro-homogene Modelle für organische Flussbatterien ................................................. 23

2.2

DeMaPEM: Entwicklung und Vermarktung von ProtonenaustauschmembranBrennstoffzellen für Transportanwendungen .................................................................... 24

2.3

3-D-Modell des Wasser- und Wärmetransports in PEMFCs bei Verdunstungskühlung und Befeuchtung ............................................................................................................... 25

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2.4

Thermodynamisch konsistenter Ansatz zur Modellierung von Redox-Flow-Batterien ..... 26

2.5

Mikroskalige Modellierung zur Kopplung von Massentransport und konvektiver Strömung in porösen Elektroden für Redox-Flow-Batterien ............................................. 27

Organische Elektronik und Photovoltaik

3.1

Parameterextraktion von Silizium-Solarzellen durch ein mit simulierten Daten trainiertes neuronales Netzwerk ....................................................................................... 29

3.2

Experimentelle Validierung eines elektrothermischen Kleinsignalmodells für grossflächige Perowskitsolarzellen ................................................................................... 30

3.3

Dynamik von Ladungstransferzuständen in organischen Halbleiterbauelementen: Kombination von Experiment und Simulation (CTDyn) .................................................... 31

3.4

Neue Tools für die Charakterisierung von Quanten-Punkt-Displays ................................ 32

3.5

Untersuchung des Ladungstransports in organischen Halbleitern mit elektrochemischen Methoden und theoretischen Modellen.............................................. 33

3.6

Organische Terahertz-Photonik ........................................................................................ 34

3.7

Hardware-Software-Integration und Validierung eines kompakten Terahertz-Systems ... 35

Sensorik und Messsysteme

4.1

Nachweis von Nanopartikeln in komplexen Umgebungen ............................................... 37

4.2

Tragbares Gerät zur Frühdiagnose von Lymphödemen ................................................... 38

4.3

Design und Entwicklung von künstlichen Hautmodellen für taktile Sensoranwendungen 39

4.4

Messtechnik für dezentrale Energiesysteme .................................................................... 40

4.5

Künstliche-Intelligenz (KI) Wärmepumpen-Regler ............................................................ 41

Computergestützte Physik und künstliche Intelligenz

Anhang

42 44

A.1

Studierendenprojekte ........................................................................................................ 44

A.2

Wissenschaftliche Publikationen ....................................................................................... 45

A.3

Buchkapitel ........................................................................................................................ 48

A.4

Konferenzen und Workshops ............................................................................................ 48

A.5

Vorlesungen ...................................................................................................................... 50

A.6

ICP-Spin-off-Firmen .......................................................................................................... 52

A.7

ICP-Mitarbeitende ............................................................................................................. 55

A.8

Standort ............................................................................................................................. 56

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III

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Institute of Computational Physics

1 Multiphysik-Modellierung Multiphysik-Modelle sind wirksame Werkzeuge, um eine grosse Bandbreite an physikalischen Phänomenen zu erkunden, und so die Energieflüsse, Strukturen, elektromagnetische, thermodynamische, chemische und akustische Effekte miteinander zu verbinden. Auf diesem Gebiet gab es in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte und die potenzielle Reichweite der Anwendungen wurde stetig ausgeweitet. Zudem wurden numerische Methoden immer ausgefeilter und an die verfügbaren, wachsenden Rechnerkapazitäten angepasst. Heutzutage sind detaillierte physisch-chemische Modelle kombiniert mit belastbaren numerischen Lösungsmethoden beinahe zu einer Notwendigkeit für die Planung und Optimierung multifunktionaler technischer Apparate und Prozesse geworden. Am ICP machen wir angewandte Forschung auf dem Gebiet der Multiphysik-Modelle und entwickeln Finite-Elemente- ebenso wie Finite-Volumen-Simulationssoftware. Unsere weitläufige Erfahrung in numerischer Analyse, Modellierung und Simulation erlaubt es uns, simulationsbasierte Optimierung in vielen Fachgebieten erfolgreich anzuwenden. Dabei sind wir mit einer grossen Bandbreite an physikalischen Gleichungen vertraut und finden auch dann numerische Lösungen, wenn die Effekte in enger Wechselwirkung zueinander stehen. Wir entwickeln auch Ein-ZweckWerkzeuge, die auf die Bedürfnisse unserer Partner spezifisch zugeschnitten sind, und wir nutzen kommerzielle Software dort, wo sie besser geeignet ist. Zu unseren Spezialitäten auf diesem Gebiet gehören die Anwendung, Erweiterung und Entwicklung gekoppelter Modelle mittels unserer eigenen Finite-Element-Software SESES, der Fluiddynamik-Software OpenFoam (Open Source) und kommerziell angebotener Produkte wie COMSOL.

G. Boiger

M. Boldrini

D. Brunner

V. Buff

S. Ehrat

T. Hocker

L. Holzer

M. Hostettler

L. Keller

V. Lienhard

P. Marmet

Y. Safa

D. Sharman

B. Siyahhan

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J. Stoll

A. Zubiaga

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1.1

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PM-ASPV: simulationsbasierte Analyse eines magnetisch kontrollierten freischwebenden Magneten

Eine Anzahl von diskretisierten steuerbaren Magneten ist kreisförmig in einer 2D-Ebene angeordnet. In der Mitte wird ein Dipol oder räumlich ausgedehnter Magnet angenommen. Um Stabilität zu erreichen, müssen die erforderlichen Kräfte auf den Dipol immer in Richtung Zentrum zeigen. Das dafür erforderliche Kraftfeld wird für alle möglichen Dipolpositionen berechnet und abgebildet. Das jeweilige lokale Magnetfeld um die Magnete wird analytisch berechnet und in einem transienten Regelkreis simuliert. Das Projekt läuft nach wie vor und die Ergebnisse sehen vielversprechend aus. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

A. Zubiaga, V. Lienhard, M. Boldrini, V. Buff, G. Boiger Peter Meyer & Co. AG Innosuisse 2019–2021

Es gibt mehrere Möglichkeiten, einen magnetischen Dipol oder Magnet in einer stabilen Position zu halten. Das Earnshaw-Theorem verbietet jedoch jede stabile Konfiguration, bei der nur Permanentmagnete verwendet werden, und besagt, dass mindestens ein DoF fixiert oder kontrolliert werden muss. Bei Magnetrotoren beispielsweise geschieht dies durch Fixierung der Rotationsachse und rotierende Magnetfelder. Das bedeutet, dass der Rotor dem Magnetfeld folgt oder vorauseilt, was zu Synchron- oder Asynchronmotoren führt. Während dies zu einem späteren Zeitpunkt untersucht werden mag, liegt der Fokus bisher auf einem vollständigen Regelkreis. Auf der Grundlage des Dipol-Modells wurden die erforderlichen Felder und Kräfte durch analytische und einfache Vorhersagemodelle unter Verwendung von Excel und Berkley-Madonna abgeschätzt.

die diskretisierten Steuermagnete abgebildet. Diese Abbildung erfolgt für jeden Punkt im Raum auf jeden Steuermagnet und soll zu einem stabilen Regelkreis führen. Drehmomentbetrachtungen und Gravitationseffekte werden später berücksichtigt.

Abb. 2: Die magnetostatische Kraft (roter Pfeil), die durch das Magnetfeld (schwarze Kurven) auf den Zentralmagneten wirkt.

Der simulationsbasierte Proof of Concept in 2D konnte erbracht werden. Der Einbezug und Verifikation verschiedenster, bisher vernachlässigter Effekte ist im Gange. Die Erweiterung auf 3D ist weiterhin geplant – stellt aber grössere Herausforderungen. Deshalb lag und liegt der Fokus nun auf experimentellen Ansätzen, basierend auf den vorliegenden Grundlagen. Abb. 1: Beispielhafte Anordnung von vier Steuermagneten und freischwebendem Magneten. Die Pfeile zeigen die Richtung und Stärke der Magnetisierung an, die Stromlinien das resultierende Magnetfeld.

Aufwändigere analytische und numerische Modelle wurden in einer Kombination von MATLAB und COMSOL implementiert. Eine rücktreibende Kraft, die den zentralen Magneten zwischen den Steuermagneten schwebend hält, ist hierzu essenziell. Das dazu notwendige Kraftfeld wird berechnet und auf den 2D-Bereich abgebildet. Das Magnetfeld wird dann analytisch und numerisch berechnet und auf

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1.2

Institute of Computational Physics

Pulverbeschichtung: simulationsbasierte Prototypentwicklung neuartiger Pulverbeschichtungsdüsen

Durch die Entwicklung eines umfangreichen numerischen Euler-Lagrange-Simulationsmodells wurden hocheffiziente Düsengeometrien entwickelt. Die Simulationen wurden an Messreihen mit mehreren tausend Versuchen validiert. Die aus dem Projekt resultierenden neuen Düsen erreichten eine Steigerung der Beschichtungseffizienz von über 15 %. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

G. Boiger, M. Boldrini, V. Lienhard, B. Siyahhan, V. Buff Wagner International AG Innosuisse 2017–2020

Im Rahmen dieses Projekts wurde ein umfangreiches numerisches Euler-Lagrange-Simulationsmodell für Pulverbeschichtungsanwendungen entwickelt und umfassend validiert. Das Modell koppelt alle relevanten physikalischen Einflussfaktoren wie elektrostatische Feldstärke, Luftströmung, Partikelgrössenverteilung, Partikel-Substrat-Wechselwirkung, Partikel-Partikel-Interaktion und Gravitation. Der Solver wurde durch mehrere tausend Beschichtungsversuche und deren Auswertung validiert. Mit diesem neuen numerischen Modell kann nun ein Pulverbeschichtungsprozess in einer bisher nicht erreichten Qualität quantitativ und qualitativ erfasst werden. Diese neue numerische Analysemethode hat bereits weitreichende Erkenntnisse über die Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und Beschichtungsergebnissen geliefert.

zeigten eine Steigerung der Beschichtungseffizienz von über 15 % für den gesamten Parameterbereich. Durch weitere Untersuchungen und Entwicklungen an den ausgewählten Düsen wurde das Design so verbessert, dass eine Steigerung der Beschichtungseffizienz von 23–31 % für die am häufigsten verwendeten Parameterbereiche erreicht wurde. Literatur: [1] Boiger, G.; Boldrini, M.; Lienhard, V.; Siyahhan, B.; Khawaja, H.; Moatamedi, M., 2019. Multiphysics Eulerian-Lagrangian Electrostatic Particle Spray- And Deposition Model for OpenFoam® and KaleidoSim® Cloud-Platform (2020). Int.Journal of Multiphysics. 14(1), pp. 1-15. DOI: 10.21152/1750-9548.14.1.1 [2] Boiger, G.; Bercan, S.; Lienhard, V., 2020. Advancing the Validation and Application of a Eulerian-Lagrangian Multiphysics Solver for Coating Processes in Terms of Massive Simultaneous Cloud Computing. Multiphysics 2020. 15th International Conference of Multipysics, Online, 10-11 December 2020. International Society of Multiphysics. ISSN (online) 2409-1669..

Abb. 1: Simulationsergebnisse im Vergleich zu Messungen auf einem U-Profil-Substrat. Beispiel für die qualitative Übereinstimmung von simulierten (oben) und gemessenen (unten) Beschichtungsmustern. Hier wurde die Vorderseite eines A4-Plattensubstrats bei einem Pistolen-Substrat-Abstand D=20cm beschichtet, während eine Luftstromrate Q=3m3/h und effektive Spannungen Ueff von 30kV, 40kV bzw. 50kV angelegt wurden. Es ist zu erkennen, dass die wichtigsten qualitativen Beschichtungsmuster-Merkmale sowie die Trends von Simulationen und Experimenten gut übereinstimmen [1].

Basierend auf diesen Simulationsergebnissen und umfangreichen Messungen war es möglich, eine Reihe neuer Innengeometrien für den Düsenteil der Pistole zu entwickeln. Diese neuen Düsentypen befanden sich zwar noch im Prototypenstadium, zeigten aber das Potenzial, Prozessmetriken wie Homogenität und Beschichtungseffizienz zu erhöhen. Aus der Menge der vorgeschlagenen neuen Geometrietypen wurden zwei vom Kunden für weitere Untersuchungen ausgewählt. Beide ausgewählten Typen

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1.3

Institute of Computational Physics

Entwicklung einer Rohrsensorplattform für Inline-Prozessüberwachung

Die Überwachung von Fluideigenschaften wie die Viskosität ist in vielen industriellen Prozessen essenziell. Für sanitäre Anlagen ist die Reinigbarkeit ein zusätzlicher Faktor von enormer Bedeutung. Ein mechanischer Resonator wurde für die Inline-Viskositätsmessung entwickelt, der die Strömung nicht beeinflusst und mit den gängigen Standardverfahren zu reinigen ist. Dafür wurde ein umfangreiches, skalierbares Modell der Fluid-Struktur-Interaktion zwischen Resonator und Fluid entwickelt. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

D. Brunner, G. Boiger Rheonics GmbH Innosuisse, Rheonics GmbH 2018–2021

Der in dieser Studie entwickelte Resonator basiert auf einem Rohr, wobei die Schwingung elektromagnetisch angeregt und gemessen wird. Das Funktionsprinzip basiert auf der Anregung des ersten Torsionsmodi und der anschliessenden Messung der Schwingung. Basierend auf dem gemessenen Signal kann die Dämpfung und Resonanzfrequenz bestimmt werden. Aus der gemessenen Dämpfung und Resonanzfrequenz lässt sich die Viskosität des Fluids bestimmen. Ein umfangreiches numerisches Modell des Rohrsensors wurde erfolgreichen entwickelt und validiert. Der Sensor aus der Validierungsstudie hatte einen Innendurchmesser von 5.25 mm (1). Für die meisten industriellen Prozesse werden jedoch grössere Rohrdurchmesser benötigt. Deshalb wurde das validierte Modell verwendet, um einen grösseren, funktionsgleichen Sensor zu bauen und anschliessend zu testen. Dieser grössere Resonator basiert auf einem Rohr mit 20 mm Innendurchmesser und ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Sensor wurde geeicht und anschiessen mittels diversen NIST-Viskositätsreferenzfluiden getestet. Es wurde das Produkt von Viskosität und Dichte in einem weiten Bereich von 1 bis 100'000 mPa.s gemessen, wobei die Messgrösse des Sensors (Bandbreite durch Resonanzfrequenz, Γ/f0 ) in guter Übereinstimmung mit der Vorhersage des numerischen Modells war (Abbildung 2). Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial des Modells für die Entwicklung neuer, noch grösseren Sensoren.

Abbildung 1: DN20-Rohrsensor (links), DN20-Rohrsensor eingebaut in einen Flow-loop.

Abbildung 2: Bandbreite / Resonanzfrequenz (Γ/f0) gegen das Produkt von Viskosität und Dichte ρη für unterschiedliche Fluide und die Modellvorhersagen.

Quellenangabe: 1 D. Brunner, J. Goodbread, K. Häusler, S. Kumar, G. Boiger, H. Khawaja, Analysis of a Tubular Torsionally Resonating ViscosityDensity Sensor, MDPI Sensors, 2020, 20 (11), 3036. https://doi.org/10.3390/s20113036

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1.4

Institute of Computational Physics

Simulationsbasierte Kalibrierung von Infusionssystemen

Infusionssysteme ermöglichen die kontinuierliche Verabreichung von Medikamenten in flüssiger Form. Für den medizinischen Betrieb ist es notwendig, einen exakten Volumenstrom aufrechtzuerhalten, was mit dem Einsatz von Peristaltik-Pumpen erreicht wird. Die Kalibrierung solcher Pumpen bedarf jedoch aufwändigen Messungen, was den breiten Einsatz solcher Systeme beeinträchtigt. Mittels eines Simulationsmodells soll das fluiddynamische Verhalten von Pumpe und Infusionssystem abgebildet werden. Dies ermöglicht eine effizientere Kalibrierung und erleichtert es dem Kunden, unterschiedliche Konfigurationen des Produkts in Anwendung zu bringen. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

M. Hostettler, G. Boiger Codan Argus AG Innosuisse 2019–2021

Beim Einsatz von medizinischen Infusionssystemen ist eine hohe Genauigkeit betreffend der effektiv injizierten Medikamentenmenge erforderlich. Um einen gewünschten Volumenstrom einstellen zu können, werden unter anderem Peristaltik-Pumpen eingesetzt. Da insbesondere sehr kleine Volumenströme angestrebt werden, ist die direkte volumetrische Bestimmung der Durchflussmenge nicht möglich und die Durchflussrate muss aus den System- und Pumpenparametern bestimmt werden. Für die dafür notwendige Kalibrierung der Pumpe sind jedoch individuelle und höchst umfangreiche Messungen notwendig, welche den effizienten Einsatz solcher Geräte wesentlich einschränken.

Abb. 2: Modell des Infusionssystems mit Pumpe und verschiedenen Komponenten.

Im Rahmen des Projekts werden umfassende experimentelle Messungen eingesetzt, um das Verhalten von sämtlichen strömungsführenden Komponenten individuell charakterisieren zu können. Für die Charakterisierung der Pumpe und des viskoelastischen Verhaltens des Peristaltik-Schlauches werden verschiedene numerische Modelle (von simplen eindimensionalen Methoden bis hin zu detaillierten CFDSimulationen inklusive Fluid-Struktur-Kopplung) untersucht und mit Messungen verglichen. Anhand der Messdaten der Einzelkomponenten und der Erkenntnisse aus der Pumpen- und Schlauchcharakterisierung wird das strömungsdynamische Modell entwickelt (siehe Abb. 2), und mittels spezifischer Experimente validiert.

Abb. 1: Verschiedene Komponenten eines Infusionssystems (v. l. n. r. Durchflussregler, Tropfenzähler, Filter und Schlauch).

In der vorliegenden Arbeit wird das grundlegende Strömungsverhalten in Schlauchsystem und Peristaltik-Pumpe untersucht und ein Modell entwickelt, um die Kalibrierung solcher Systeme effizienter gestalten zu können. Damit lassen sich auch beliebige Konfigurationen der im Infusionssystem verbauten Komponenten (siehe Abb. 1) besser realisieren und es wird eine breitere Anwendung des Produkts ermöglicht.

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1.5

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CFD-Modellierung von Tropfenaufprall in eine ruhende Flüssigkeit

Beim Transport von Medikamenten in flüssiger Form wird die Flüssigkeit externen Schwingungen des Transportfahrzeugs ausgesetzt. Diese Vibrationen verursachen Fluidbewegungen und damit Scherspannungen und Druckkräfte in der Lösung. Es ist im Interesse des Herstellers, diese Scher- und Druckbedingungen zu verstehen, da sie zum Abbau des Wirkstoffs führen können. Unter bestimmten Bedingungen kann es gar zur Bildung von Tröpfchen kommen. Die vorliegende Arbeit untersucht den Wiederaufprall eines solchen Tropfens in die Flüssigkeit und die entsprechenden Scherkräfte mit Hilfe detaillierter CFD-Simulationen. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

M. Hostettler, D. Brunner, G. Boiger F. Hoffmann-La Roche Ltd. Basel F. Hoffmann-La Roche Ltd. Basel 2020–2021

Während des Transports von flüssigen Arzneimitteln hat die mechanische Beanspruchung des Fluids einen massgeblichen Einfluss auf den Abbau des Wirkstoffs im Medikament. Frühere Studien untersuchten die von Vibrationen induzierte Bildung und Intensität von Wellen an der Flüssigkeitsoberfläche innerhalb eines Transportgefässes und deren Belastung auf das Produkt. Diese Wellen können zu zusätzlicher Tropfenbildung führen. Die vorliegende Studie konzentriert sich auf die Abschätzung der vom Tropfenaufprall verursachten Scherspannungen, um Erkenntnisse über die Relevanz dieses Phänomens zu gewinnen und die wichtigsten Einflussparameter zu bestimmen. Dabei wird ein fallender Tropfen (siehe Abb. 1) betrachtet, der auf die Oberfläche einer ruhenden Flüssigkeit in einem zylindrischen Gefäss auftrifft. Der Aufprall und das Eintauchen des Tropfens in die Oberfläche erzeugt komplexe Flüssigkeitsbewegungen und führt zum Auftreten von Schubspannungen. Diese Spannungen sind abhängig von Parametern wie Fallhöhe, Tropfendurchmesser und Viskosität des verwendeten Fluids.

erhalten. Weiter wurde auf Basis einer statistischen Auswertung der auftretenden Scherspannungswerte eine Zuverlässigkeitsfunktion (siehe Abb. 2) bestimmt, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Scherbelastungswerten bei Veränderung eines bestimmten Parameters zu analysieren.

Abb. 2: Die Zuverlässigkeitsfunktion (Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Scherbelastungen) gibt Aufschluss über die Einflussstärken der einzelnen Parameter (v.l.n.r: kleiner Effekt bei Variation der Fallhöhe; mittlerer Effekt bei Variation des Tropfendurchmessers; grosser Effekt bei Variation der Viskosität).

Die Studie hat gezeigt, dass die maximalen Belastungen beim Tropfeneinschlag deutlich (bis zu 20 Mal) höher sind als bei einfacher Wellenbewegung. Des Weiteren ist bei höherer Flüssigkeitsviskosität ein signifikanter Anstieg der auftretenden Scherspannungen gekoppelt mit einer Abnahme der Eindringtiefe zu beobachten. Fallhöhe und Tropfendurchmesser haben nur einen geringen Einfluss auf die Effekte. Zur Validierung der Simulation wurde das Test-Setup in einem Versuchsaufbau realisiert. Methylenblau gefärbte Tropfen wurden in Wasser-Glycerin-Lösungen unterschiedlicher Viskosität fallen gelassen. Der Aufprall wurde auf Video aufgezeichnet, um die resultierende Eindringtiefe qualitativ zu vergleichen.

Abb. 1: Querschnitt des Test-Setups mit fallendem Tropfen und ruhender Flüssigkeit in einem zylindrischen Gefäss. Die Zeit schreitet nach rechts voran und die resultierenden Scherspannungen im Fluid sind durch Farben markiert.

Mittels CFD-Simulationen für zweiphasige Systeme wurden die genannten Freiheitsgrade in Bezug auf die zugehörigen Scherbedingungen untersucht. Die resultierenden Schubspannungen in der Fluidphase wurden in azimutaler Richtung gemittelt, um Einblick in die räumliche Verteilung der Energiedissipation zu

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1.6

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Entwicklung eines Multiphysikmodells für Pulverbeschichtungsverfahren mit beweglichen Pistolen

Im Rahmen dieses intern finanzierten Projektes wurde ein bestehendes Multiphysikmodell [1] weiterentwickelt, welches die Interaktion des Strömungsfeldes, der Beschichtungspartikel sowie elektrostatischer Kräfte für Pulverbeschichtungsanwendungen simulieren kann. Neu kann auch die Bewegung der Beschichtungspistolen einbezogen werden. Obwohl das bestehende Modell schon validiert wurde [2], hat die bisher fehlende Betrachtung der beweglichen Pistole verhindert, praxisrelevante Beschichtungsverfahren zu simulieren. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

B. Siyahhan, G. Boiger intern intern seit 2020

Pulverbeschichtung ist eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Flüssigkeit-basierten Beschichtungsmethoden, die insbesondere für dünnere Beschichtungen geeignet ist. Der Prozess beinhaltet eine Pulverwolke, die durch einen Luftstrom innerhalb einer Beschichtungspistole transportiert wird. Diese Pistole enthält eine Elektrode, welche die vorbeifliessende Pulverwolke auflädt. Nachdem die Wolke ein geerdetes Substrat trifft, beschichten die Partikel das Substrat. Weil die Interaktion zwischen Partikeln, strömungs- und elektrostatischen Kräften sehr kompliziert zu modellieren ist, ist die Industrie auf Trial-and-Error-Methoden angewiesen. Um diese Problematik zu beseitigen, wurde in OpenFOAM ein numerisches Multiphysikmodell entwickelt [1], welches diese Interaktionseffekte in Betracht ziehen kann. Der Rechner löst zuerst das elektrische Feld basierend auf Gleichung (1):

𝛻 2Ψ = −

𝜌𝑐 𝜖0

Diese theoretische Grundlage des Modells wurde mit der Fähigkeit komplementiert, die Bewegung der Beschichtungspistolen in Form einer Fourrierreihe entsprechend der Gleichung (5) zu simulieren. ∞ 𝑓(𝑡) = 𝑎0 + ∑∞ 𝑛=1 𝑎𝑛 cosωt + ∑𝑛=1 𝑏𝑛 sinωt

(5)

Zusätzlich zur Programmbibliothek für die Bewegungsdefinition in OpenFOAM wurde die Partikelmodellierung aktualisiert, um sie an das weiterentwickelte Modell übernehmen zu können. Zusätzlich wurden die spezifischen Randbedingungen für die Kopplung einer beweglichen Domäne mit einer statischen untersucht. Dadurch wird nun die Simulation von praxisnahen Beschichtungsverfahren (Abbildung 1) sowie deren Gestaltung und Optimierung ermöglicht.

(1)

ψ(V) bezeichnet das elektrische Potenzial, ρ c(C/m3) die Raumladungsdichte und ϵ0(F/m) die elektrische Feldkonstante. Unabhängig vom elektrischen Feld wurde das Strömungsfeld basierend auf dem inkompressiblen Kontinuitätsgesetz (2) sowie der inkompressiblen Navier-Stokes Gleichung (3) simuliert.

⃗ =0 𝛻⋅𝑈 ⃗ 𝜕𝑈 𝜕𝑡

⃗ ⋅ 𝛻𝑈 ⃗ = −𝛻𝑝′ + 𝛻 ⋅ 𝜈𝑒𝑓𝑓 𝛻𝑈 ⃗ +𝑈

(2) (3)

Abbildung 1: Schnappschüsse einer Beschichtungsverfahrenssimulation einer Autofelge mit einer beweglichen Pistole.

U(m/s) bezeichnet die Geschwindigkeit, p’(m2/s2) den auf die Fluiddichte bezogenen Druck, νeff(m2/s) die kinematische Viskosität. Unter Berücksichtigung des strömungs- und elektrischen Feldes sowie partikeldynamischer Effekte kann die Bewegungsbahn der einzelnen Partikel entsprechend der Partikelimpulsbilanzgleichung (4) berechnet werden.

𝑚𝑝 𝑥̈ 𝑝 = 𝜌𝑝 𝜋

3 𝑑𝑝

𝑥̈ 𝑝 = 𝐹𝐷 + 𝐹𝑒𝑙 + 𝐹𝑔

Literatur: [1] Boiger, G., 2016. Eulerian-Lagrangian model of particle laden flows and deposition effects in electro-static fields based on OpenFoam (2016). Int.Journal of Multiphysics; 10(2), pp. 177–194(8); DOI: 10.21152/1750-9548.10.2.177. [2] Siyahhan, Bercan; Boldrini, Marlon; Hauri, Samuel; Reinke, Nils; Boiger, Gernot Kurt, 2018. Procedure for experimental data assessment for numerical solver validation in the context of model-based prediction of powder coating patterns (2019). Int.Journal of Multiphysics. 12(4), pp. 373-392. DOI: 10.21152/1750-9548.12.4.373.

(4)

mp(kg) bezeichnet das Gewicht des Partikels, xp(m) dessen Position, ρp(kg/m3) die Dichte und dp(m) den Durchmesser. FD(N) ist dabei die Interaktionskraft zwischen Strömung und Partikel, Fel(N) die elektrostatische Kraft und Fg(N) die Gravitationskraft.

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1.7

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Thermophoretische Kraft auf Schwebeteilchen

Dieses Projekt zielt darauf ab, das Potenzial der thermophoretischen Kraft zum Sammeln von Partikeln aus der Atmosphäre zu untersuchen. Dazu wird eine rechnerische Untersuchung der Luftströmung durch eine Sammelkammer durchgeführt, die Aerosolpartikel unterschiedlicher Grösse und Dichte sowie einen vertikalen thermischen Gradienten enthält, der die Partikelablagerung in der Sammelregion steuern soll. Zur Beschreibung der Luftströmung wird ein fluiddynamisches Modell erstellt, wobei auch die grössenabhängige Widerstandskraft der Luft auf die Partikel detailliert berücksichtigt wird. Die Auswirkung der Partikeleigenschaften (Grösse, thermische Leitfähigkeit, Dichte), des Luftstroms und der Turbulenzen auf den Abscheidungsprozess wird analysiert, bevor die ersten Tests im physikalischen Gerät durchgeführt werden. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

A. Zubiaga, M. Boldrini, G. Boiger myLab Elektronic GmbH Innosuisse 2019–2020

Die Umgebungsluft kann eine Reihe von Schwebeoder Aerosolpartikeln unterschiedlicher Herkunft und Grösse enthalten. Es kann sich um natürliche Partikel wie Pollen, Staub oder Bazillen und Viren handeln, aber auch um vom Menschen verursachte wie Smog oder Russ. Die Grössen können von einem Bruchteil eines Millimeters bis hinunter zu einem Nanometer oder darunter reichen. Partikel werden durch das Trägergas bis zu ihrer Ablagerung durch Auftriebseffekte transportiert, wenn ihre Grösse gross genug ist. Partikel, die kleiner als ein Mikrometer sind, können dagegen für unbestimmte Zeit in der Luft schweben bleiben. Dadurch erhöhen sich die negativen Auswirkungen, die sie auf unsere Gesundheit haben können. Fein- und Ultrafeinstaub kann zum Beispiel tief in die Lunge und in das Herz-KreislaufSystem eindringen. Eine naheliegende Möglichkeit, ihre schädlichen Auswirkungen zu kontrollieren und zu begrenzen, ist die Sammlung für Überwachungsoder andere Zwecke.

In diesem Projekt untersuchten wir das Potenzial der thermophoretischen Kraft, um Partikel aus der Atmosphäre zu sammeln. Wir betrachteten zunächst den Luftstrom durch die Sammelkammer. Für die Studie wurde reale Geometrie verwendet und besonderes Augenmerk wurde auf die Minimierung des negativen Einflusses von Turbulenzen gelegt, sobald ein stationärer Zustand der Strömung erreicht ist. Als nächstes wurde der Transport der Partikel in der Luft betrachtet. Die Partikelgrössenabhängigkeit der Strömungswiderstandskraft wurde sorgfältig berücksichtigt. Schliesslich wurde die thermophoretische Kraft eingeführt, indem eine zusätzliche Kraft auf die Partikel in Abhängigkeit von einem thermischen Gradienten innerhalb des Fluids hinzugefügt wurde. Es hat sich gezeigt, dass die neue Kraft die Ablagerung der suspendierten Partikel stark begünstigt. Die Ablagerungsreichweite hängt jedoch von den thermischen Eigenschaften der Partikel ab, und es hat sich gezeigt, dass die Partikelgrösse sie am stärksten beeinflusst. Daher wird eine ungleichmässige Verteilung der Partikel in der Kammer vorhergesagt, wobei Partikel grösserer Grösse eine grössere Ablagerungsreichweite haben. Die Schlussfolgerungen der Studie werden durch Tests mit dem physikalischen Gerät validiert. Abb. 1: Computational Fluid Dynamics einer Partikelsammelkammer. Die Strömungslinien zeigen die Luftströmungsrichtung. Die Punktwolken stellen die Verteilung der ankommenden Partikel und deren Geschwindigkeit dar. Die grösseren Partikel auf der rechten Seite stellen ein typisches Ablagerungsmuster der gesammelten Partikel dar. Das rote Quadrat stellt die Sammelregion dar, in der die thermophoretische Kraft aktiv ist. Ein grosser Teil der Partikel wird aufgrund der thermophoretischen Kraft in den wenigen Millimetern nach Eintritt in den Ablagerungsbereich abgelagert. Die mikroskopische Aufnahme im Inset zeigt eine typische Grösse der gesammelten Partikel.

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Dreidimensionale Modellierung von Pulverschneelawinen

Es ist allgemeine Methodik, dass die Lawinenmodellierung in die Strömung des schweren Schneekerns und der leichteren Pulverschneewolke, die aus einem Gemisch aus Eisstaub und Luft besteht, unterteilt werden kann und dass der Lawinenkern nicht von der Wolke beeinflusst wird. Am SLF steht die Software RAMMS zur Verfügung, um den Lawinenkern durch Lösen eines Systems von hyperbolischen Gleichungen auf einem nicht ebenen 2D-Berggelände zu modellieren. In letzter Zeit besteht jedoch Interesse an der Modellierung der Druckverteilung der Pulverschneewolke vor der Lawine, um mögliche Schäden abschätzen zu können. Im Rahmen dieses Projekts wurde eine 3D-Modellierung der Pulverschneewolke entwickelt, die an die RAMMS-Software gekoppelt ist. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

G. Sartoris Dr. P. Bartelt, SLF SLF 2020

Der Modellierungsansatz zur Lösung dieser Pulverschnee-Lawinensimulation wurde wie folgt gewählt. Aus der RAMMS-Software erhalten wir die Bodengeschwindigkeit, bestehend aus einer tangentialen Komponente, die die Lawinenhanggeschwindigkeit darstellt, und einer normalen Komponente, die die Injektion von Pulverschnee in die Luft bestimmt. Luft und Pulverschnee werden dann als eine dreidimensionale, zweiphasige, mischbare und inkompressible Strömung betrachtet und ihre Gleichungen werden mit der frei verfügbaren SESES-Software gelöst. Es wird angenommen, dass diese 3D-Pulverschneewolken-Strömung nicht an den schweren Schneekern zurückkoppelt, der mit RAMMS gelöst wird. Da die Simulation des 2D-Schneekerns im Vergleich zur 3D-Simulation der Pulverschneewolke recht schnell ist und letztere strengere Bedingungen an die Gitttergrösse stellt, nehmen wir der Einfachheit halber an, dass das 2D-Gitter dem 3D-Gitter untergeordnet ist, d. h. entlang des Berggelände stimmen sie überein und es ist somit keine Rauminterpolation für die Einstellung der Randbedingungen erforderlich. Aufgrund der Einfachheit einer Zeit-Interpolation gehen wir jedoch nicht davon aus, dass beide Simulationen die gleiche Zeitdiskretisierung verwenden. Zusammengefasst konstruiert man zunächst ein 3DGitter für die Pulverwolkensimulation. Die Unterseite dieses Gitters, die mit dem Berggelände gleich ist, definiert auch das 2D-Gitter für die Fliesslawinensimulation, die als erste und unabhängige Aufgabe ausgeführt wird. Diese Schneekernsimulation muss in konstanten Zeitintervallen die Geschwindigkeitswerte schreiben, die von der 3D-Pulverwolkensimulation, hier durch Ausführen von SESES, als zeitabhängige Randbedingungen verwendet werden. Für die Lösung dieses zeitabhängigen Problems verwenden wir die PISO-Methode wie folgt. In jedem Zeitschritt löst man getrennt und der Reihe nach, für den Massenanteil, die Geschwindigkeitskomponenten

und den Druck in ihrer linearisierten Form. In der Praxis werden diese Gleichungen, mit Ausnahme des Drucks, durch Anwendung eines Gauss-Seidel-Glätters gelöst, und für den Druck verwenden wir ein paar Iterationen eines algebraischen Mehrgitterlösers. Dieser einzelne PISO-Schritt wird dann bis zur Konvergenz des Drucks wiederholt und danach wird mit dem nächsten Zeitschritt fortgefahren. Eine optimierte Strategie besteht darin, nur eine einzige globale Iteration durchzuführen, sodass die Konvergenz des Drucks durch eine adaptive Zeitschrittwahl kontrolliert werden muss. Für den Zeitintegrationsalgorithmus stehen mehrere Algorithmen erster, zweiter und dritter Ordnung zur Verfügung. Für ein Verfahren 2. Ordnung steht eine automatische fehlerbasierte Zeitschrittauswahl zur Verfügung, die jedoch im Allgemeinen einer Auswahl auf Basis der CFL-Bedingung unterlegen ist. Dabei ist zu beachten, dass die diskretisierten Gleichungen aufgrund fehlender dynamischer Terme nicht absolut stabil sind, sodass immer eine Zeitschrittbegrenzung erforderlich ist. Bei der Auswahl des Zeitschritts sind wir ziemlich flexibel und es liegt am Anwender, adaptiven Zeitschrittvorschlag, CFL-Bedingung und Wiederholung des aktuellen Zeitschritts aufgrund langsamer Konvergenz oder sogar Divergenz miteinander zu kombinieren.

Abbildung: simulierte Lawinendruckfront (Ansicht von unten).

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3D-Porenmikrostrukturen und Computersimulation: effektive Permeabilitäten und Kapillardruck bei der Entwässerung in Opalinuston

In der vorliegenden Arbeit wurden Modellporenstrukturen von Opalinuston verwendet, um kritische Materialeigenschaften in Bezug auf den Gastransport vorherzusagen. Dies ist wichtig, weil Gesteine wie der Opalinuston als potenzielle Wirtsgesteine für die Endlagerung radioaktiver Abfälle in Betracht kommen. Dabei sind diese Transporteigenschaften im Zusammenhang mit der Entstehung von Gas, wie beispielsweise durch Korrosion der Abfallbehälter, und dessen anschliessendem Transport durch das den radioaktiven Abfall umgebende Gesteinsmaterial von Interesse. Das produzierte Gas kann durch verschiedene Transportprozesse (z. B. Diffusion, Advektion, Zweiphasenströmung etc.) vom Ort der Entstehung durch das Gestein transportiert werden. Hier liegt der Schwerpunkt auf dem sogenannten Zweiphasentransport, bei dem das erzeugte Gas das Wasser in den Poren als separate Phase verdrängt. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

L. Keller Nagra, EURAD Nagra, EURAD 2020–2023

Die 3D-Rekonstruktion des Porenraums in Opalinuston ist mit der Schwierigkeit konfrontiert, dass hochauflösende Abbildungsmethoden bei den nanometergrossen Poren in diesem Material an ihre Grenzen stossen. Bislang war es nicht möglich, den gesamten Porenraum mit Porengrössen, die zwei Grössenordnungen überspannen, abzubilden. Daher war es bisher nicht möglich, die Transporteigenschaften dieses Materials mit Hilfe von Computersimulationen, die 3D-Porenstrukturen als Input benötigen, vorherzusagen. Dem Konzept der Selbstähnlichkeit folgend wurde aus einer realen, aber unvollständigen Porenstruktur eine digitale Porenmikrostruktur konstruiert.

Die konstruierte Porenstruktur hat das gleiche Porengrössenspektrum wie im Labor gemessen. Mit Hilfe von Computersimulationen wurden Kapillardruckkurven während der Drainage vorhergesagt, die ebenfalls mit den Labordaten übereinstimmen. Es wird vorhergesagt, dass die Zweiphasentransporteigenschaften wie die Entwicklung der effektiven Permeabilität sowie der Kapillardruck während der Drainage sowohl von den Transportrichtungen abhängen, was für Opalinuston bei der Beurteilung seiner Eignung als Wirtsgestein für Atommüll berücksichtigt werden sollte. Diese Richtungsabhängigkeit wird auf der Porenskala durch eine geometrische Anisotropie im Porenraum kontrolliert.

Abbildung 1: Grafische Zusammenfassung des Projekts.

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1.10 Modellbasierte Optimierung von MIEC-SOFC-Anoden Kosten und Lebensdauer sind zurzeit die limitierenden Faktoren für den breiteren Einsatz von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) mit Erdgas zur kombinierten Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme. Darum ist eine systematische Optimierung von Materialien und Zell-Design erforderlich, um die Effizienz und Lebensdauer zu steigern. In unserem Ansatz setzen wir auf digitales Materialdesign (DMD), wobei Methoden der Multiphysik-Simulation, 3D-Mikrostrukturcharakterisierung (Tomographiedaten) und elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) kombiniert werden. Basierend auf dem DMD-Ansatz werden die Beziehungen zwischen Materialeigenschaften, Mikrostruktur, Zell-Design und Performance auf einem quantitativen Level erarbeitet. Dieser Ansatz ermöglicht die Definition von Design-Richtlinien für optimierte Elektroden und beschleunigt den Innovationszyklus für zukünftige SOFC-Geräte. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

P. Marmet, L. Holzer, T. Hocker, J. Brader, J. Grolig, H. Bausinger, A. Mai Hexis AG BFE 2019–2022

Für die nächste Generation von SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) verlangt der Markt nach höherem Wirkungsgrad, längerer Lebensdauer und niedrigeren Systemkosten. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, arbeiten wir an neuen Anodenkonzepten, die auf Mischleitern (mixed ionic and electronic conductors, MIEC) wie dotiertem Ceroxid und Perowskit-Materialien basieren. Aufgrund der komplexen physikalisch-chemischen Prozesse, die den Gastransport in den Poren, den Transport von Ionen und Elektronen in der Ceroxidphase, die Brennstoffoxidationsreaktion an der Oberfläche des Ceroxids usw. beinhalten, gibt es zahlreiche entgegengesetzte Anforderungen, welche den Entwicklungsprozess erschweren. Für eine systematische Optimierung des Systems sind daher ausgefeilte Methoden erforderlich, die sowohl mathematische Modelle als auch experimentelle Methoden umfassen.

Spektren richtig zu interpretieren. Am ICP entwickelte Multiphysik-Simulationsmodelle mit AC- und DC-Modi ermöglichen die Simulation der EIS-Spektren sowie des DC-Verhaltens während des normalen Zellbetriebs. Damit wird ein grundlegendes Verständnis der komplexen Prozesse und eine Separierung der EIS-Spektren erreicht. Mit einem kalibrierten Simulationsmodell können die Auswirkungen von Designanpassungen (z. B. Material- und Mikrostrukturvariationen) auf die Zellleistung beurteilt werden. Ein wesentlicher Punkt ist dabei die korrekte Beschreibung der Mikrostruktureffekte.

Abb. 2: Flächenspezifischer Widerstand (ASR) von Anoden für verschiedene Mikrostrukturen als Funktion der Schichtdicke L.

Die Mikrostrukturanalyse auf der Grundlage der FIBTomographie ermöglicht die Quantifizierung morphologischer Merkmale (Tortuosität, Porosität usw.) und der damit verbundenen Transporteigenschaften. Mit dem Digital Materials Design (DMD)-Ansatz kann der Einfluss von Mikrostrukturvariationen auf die Zellleistung bestimmt werden. Indem die Beziehung zwischen Materialeigenschaften, Mikrostruktur, Zelldesign und Leistung hergestellt wird, können Richtlinien für ein neues Anodenmaterialdesign abgeleitet werden. Dies ermöglicht eine schnellere und systematischere Entwicklung neuer SOFC-Elektroden.

Abb. 1: Simuliertes Anoden-EIS-Spektrum mit separierten Impedanzprozessen: ZSR = Wasserstoffoxidationsreaktion, Zchrg tpt = Transport der Ladungsträger, Zgas = Gasimpedanz, Zanode,tot = Totale Impedanz der Anode.

In der SOFC-Forschung ist die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ein wesentliches Charakterisierungswerkzeug, das als Grundlage für die Materialoptimierung auf Elektroden-, Zellen- und StackLevel dient. Überlappende Prozesse in den EISSpektren und fehlendes Verständnis der komplexen Vorgänge machen es jedoch schwierig, die EIS-

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Massive Simultaneous Cloud Computing (MSCC) für datengetriebene Optimierung von SOFC-Elektroden Digital Materials Design (DMD) ermöglicht eine systematische modellbasierte Entwicklung und Optimierung von Materialsystemen und Mikrostrukturen. Die Anwendung von DMD für die Entwicklung von Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)-Elektroden führt zu einem sehr grossen Parameterraum, der mit konventionellen Rechenressourcen sehr zeitaufwändig ist. Das Konzept des Massive Simultaneous Cloud Computing (MSCC) ermöglicht den Zugriff auf nahezu unbegrenzte Rechenressourcen auf Abruf. Diese drastische Reduktion der Rechenzeiten ermöglicht die volle Nutzung des DMD-Ansatzes für die Entwicklung der nächsten Generation von SOFC-Elektroden. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

L. Holzer, P. Marmet, T. Hocker, G. Boiger, J. M. Brader, J. G. Grolig, H. Bausinger, A. Mai, M. Fingerle Hexis AG, Math2Market GmbH, Kaleidosim Technologies AG BFE 2019–2022

Ein Beispiel für eine relativ kleine Parameterstudie ist in Abb. 2 dargestellt, wobei die Zusammensetzung und Porosität einer LST/CGO-Anode variiert werden.

Porosity  →

Digital Materials Design (DMD) ist ein moderner Ansatz zur modellbasierten Materialoptimierung. In unserem DMD-Ansatz zur Optimierung von SOFCElektroden kombinieren wir stochastische Mikrostrukturmodellierung (d. h. Simulation der Auswirkung von Fertigungsparametern auf 3D-Morphologien), virtuelle Tests von 3D-Mikrostrukturen und ein Multiphysik-Elektrodenmodell. Damit kann ein grosser Parameterraum als Basis für die datengetriebene Mikrostrukturoptimierung untersucht werden. b)

 Composition → Abb. 2: Beispiel einer kleinen Parameterstudie für verschiedene Porositäten und Zusammensetzungen einer LST/CGO-Anode.

Die virtuellen Mikrostrukturen werden mit einer Kombination von 3D-Analysen und numerischen Simulationen charakterisiert. Anschliessend werden die Mikrostruktureigenschaften als Input für ein Elektrodenmodell verwendet, welches die Leistungsfähigkeit der Elektroden berechnet (Abb. 3). Die Analyse dieser Ergebnisse führt schliesslich zu neuen Designrichtlinien für optimierte SOFC-Elektroden.

Abb. 1: a) Virtuelle LST/CGO-Struktur einer SOFC-Anode mit simuliertem Potentialabfall, b) Vergleich der Rechenzeit mit klassischem und MSCC-Ansatz.

Allerdings begrenzen lange Rechenzeiten oft den Einsatz von grossen Parameterstudien. In einer Zusammenarbeit von ZHAW, Kaleidosim AG und Math2Market wurden kürzlich neue Konzepte für Massive Simultaneous Cloud Computing (MSCC) entwickelt, die den Zugang zu nahezu unbegrenzten Rechenressourcen ermöglichen. Tausende von Mikrostrukturen können parallel berechnet werden. Für eine Parameterstudie mit z. B. 103 -104 3D-Szenarien, wie in Abb. 1 b) visualisiert, beträgt die Rechenzeit für stochastische Simulationen und zugehörige virtuelle Tests mit einem klassischen Ansatz auf einem lokalen Server typischerweise mehr als 1 Jahr. Im Gegensatz dazu ist die Rechenzeit mit MSCC nahezu unabhängig von der Anzahl der Parameterkombinationen und reduziert sich daher auf nur 1–2 Tage.

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Abb 3: Flächenspezifischer Anodenwiderstand als Funktion der Porosität und Zusammensetzung einer LST/CGO-Anode.

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1.12 Modellbasierte Entwicklung keramischer Filter für Masken, Luftreiniger und Klimaanlagen Die Covid-19-Pandemie hat gezeigt, wie wichtig geeignete Filter zur Vermeidung von Infektionen sind und dass effizientere und nachhaltigere Filterlösungen benötigt werden. Keramische Filter haben einige wesentliche Vorteile hinsichtlich ihrer Sterilisierbarkeit und Umweltverträglichkeit. Deshalb werden von einem interdisziplinären Team der ZHAW neuartige Keramikfilter mit einem modellbasierten Ansatz entwickelt. Dabei wird die komplexe keramische Filterstruktur virtuell nachgebildet. Durch die Simulation des Druckverlustes und der Filtereffizienz vieler virtueller Filterdesigns können Designrichtlinien für eine geeignete Fertigung der keramischen Filter erstellt werden. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

P. Marmet, L. Holzer, R. Kontic, M. Gorbar, D. Penner Institute of Materials and Process Engineering (IMPE) ZHAW 2020–2021

In einem intern von der School of Engineering der ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften geförderten Projekt untersucht ein Forschungsteam massgeschneiderten Keramikfilter für die Aerosolfiltration und Virenbeseitigung. Keramische Filter haben gegenüber den Standardfiltern aus Polymerfaservliesen einige signifikante Vorteile. Die Mikrostruktur und Geometrie der Porenkanäle der Keramik lässt sich über einen weiten Bereich nach Wunsch einstellen. Keramik lässt sich problemlos durch einfaches Erhitzen sterilisieren und macht dadurch Mehrfachgebrauch eines Filters möglich. Keramik ist völlig unkritisch bezüglich Umweltbelastung und Recycling während der massive Gebrauch und unkontrollierte Abfall polymerer Mikrovliesfasern eine signifikante Quelle von Mikroplastik darstellt. Ein Team aus Forschern vom Institute of Materials and Process Engineering (IMPE) und vom Institute of Computational Physics (ICP) erstellt virtuelle Modelle der im Labor hergestellten porösen Keramiken, um den Druckverlust, die Permeabilität und die Filtrationsleistung zu untersuchen. Basierend auf Mikroskopieaufnahmen (Abb. 1 a, b) wird die Mikrostruktur mit der Software GeoDict virtuell rekonstruiert. Dabei werden die mesoskaligen und die mikroskaligen Strukturen in zwei verschiedenen geometrischen Modellen erfasst (Abb. 1 b, c). In einem ersten Schritt werden die Permeabilität und die Filtereffizienzstatistik der Mikroskala ermittelt. Anschliessend werden Strömungs- und Filtrationssimulationen (Abb. 2 a, b) auf der Mesoskala durchgeführt, wobei die Mikrostruktur als poröses Medium modelliert ist, kalibriert durch die Permeabilitäts- und Filtereffizienzstatistik der Mikroskalensimulation. Damit können die Permeabilität und die Filtereffizienzstatistik für die komplexe Multiskalenstruktur bestimmt werden. Die Ergebnisse können dann mit realen Messungen an einzelnen Keramikproben verglichen werden.

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Abb 1: Mikroskopische Aufnahme der keramischen Multiskalenstruktur der Mesoskala a) und Mikroskala b). Virtuelle Rekonstruktion der mesoskaligen c) und mikroskaligen Struktur des Filters mit GeoDict.

Poröses Medium kalibriert mit der Simulation der Mikroskale

Abb. 2: a) Simulation des Druckabfalls zur Bestimmung der Permeabilität und b) Filtrationssimulation zur Bestimmung der Filtereffizienz mit GeoDict. Die Mikroskala der Struktur wird durch die Kalibrierung der Permeabilität und der Filtereffizienzstatistik in der porösen Zone der mesoskaligen Struktur berücksichtigt.

Nach der Validierung des Modells können aus Hunderten von virtuell erzeugten Strukturen Gesetzmässigkeiten abgeleitet werden, die wiederum den Keramikforschern als Designgrundlage für die Weiterentwicklung dienen. Dies reduziert die Anzahl der notwendigen Laborversuche zur Entwicklung optimierter Filtermaterialien.

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1.13 Effizientes, thermisches Modell zur präzisen Vorhersage der Schweisszeit beim Infrarot-Schweissen von Kunststoffrohren Infrarot-Schweissen ist eine etablierte Methode zum Verschweissen von Kunststoffrohren, die sich durch eine hohe Reinheit der Schweissnaht auszeichnet. Die Rohre werden dabei an ihren Stirnflächen über eine Infrarotheizung so lange kontaktlos erwärmt, bis sich eine wenige Millimeter dicke Schmelzfront ausbildet. Anschliessend werden die Rohre zusammengepresst und abgekühlt. Um die Schweisszeit auf ein Minimum zu reduzieren, wurde ein effizientes, thermisches Modell entwickelt, das den Temperaturverlauf in der Schweissnaht während des gesamten Schweissprozesses präzise vorhersagt und so den optimalen Zeitpunkt zum Ausspannen der verschweissten Rohre liefert. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

T. Hocker, D. Kempf ZHAW-IMPE-Teams C. Brändli und D. Penner, Georg Fischer Piping Systems Innosuisse 2018–2021

Modelle zur thermischen Simulation des InfrarotSchweissprozesses von Kunststoffrohren werden meist in FE- oder CFD-Tools implementiert. Dabei werden die zu verschweissenden Rohrenden, die IRHeizung sowie die umgebende Luft in 105–106 Elementen diskretisiert. Zu jedem Zeitschritt muss in jedem Element des Rohrs und der Heizung die Energiebilanz sowie in der Umgebungsluft zusätzlich die Massen- und Impulsbilanzen gelöst werden. Die daraus resultieren Simulationszeiten im Bereich von mehreren Stunden sind zu lang, um in der Steuerungssoftware der IR-Schweissmaschine zum Einsatz zu kommen. Hierfür wird ein Modell benötigt, das den T-Verlauf in der Schweissnaht während des gesamten Schweissprozesses in wenigen Sekunden simuliert. Deshalb wurde in Zusammenarbeit mit Georg Fischer ein neues Modell entwickelt, das die zu verschweissenden Rohrenden in nur fünf Segmente unterteilt, siehe Abbildung 1.

kalibriert wird. Abbildung 2 zeigt den typischen Verlauf der im Modell simulierten Schweissnahttemperaturen und entsprechenden Messdaten, die in realen Schweissversuchen ermittelt wurden. Auch Details wie das T-Plateau beim Kristallisieren werden korrekt vorhergesagt. Abbildung 3 zeigt das Einsparungspotential für die Schweisszeit, das aus der präzisen Vorhersage des optimalen Ausspannzeitpunkts der verschweissten Rohrenden resultiert. Das Modell wurde mittlerweile in Java implementiert und soll zukünftig in den GF-Schweissmaschinen eingesetzt werden.

Abbildung 2: Validierung der vom Modell vorhergesagten Schweissnahttemperaturen über Schweissversuchen mit T-Sensoren, die in der Schweissnaht platziert wurden.

Abbildung. 1: Diskretisierung der zu verschweissenden Rohrenden in nur fünf Segmente.

In jedem dieser fünf Segmente wird eine Energiebilanz gelöst, die jeweils zu- und abfliessende Wärmeströme über Wärmeleitung, natürliche bzw. erzwungene Konvektion sowie Wärmestrahlung berücksichtigt. Die Phasenübergänge beim Schmelzen und anschliessenden Rekristallisieren der Rohrenden werden über ein Modell abgebildet, das über DSC-Daten

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Abbildung 3: Verkürzung der Schweisszeit von Kunststoffrohren bei Verwendung des neu entwickelten Modells, das den Verlauf der Schweissnahttemperaturen simuliert und so den optimalen Ausspannzeitpunkt der verschweissten Rohrenden vorhersagt.

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1.14 Entwicklung eines neuartigen IR-Heizungskonzepts für das kontaktlose Schweissen von Kunststoffrohren Ist beim Fügen von Kunststoffrohren zu kompletten Rohrleitungssystemen die Reinheit der Schweissnähte zentral, kommt häufig die Infrarot-Schweisstechnik zum Einsatz. Dabei werden die Rohre an ihren Stirnflächen zuerst über eine Infrarotheizung mittels Strahlungswärme erhitzt, bis der Kunststoff schmilzt, und anschliessend zusammengepresst. Die Kunststoffschmelzen verbinden sich und durch das Abkühlen entsteht eine stoffschlüssige Verbindung. Mit der Einführung eines neuartigen IR-Heizungskonzepts sollen das Aufheizen und somit der gesamte Schweissprozess verkürzt werden. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

N. Jenal, M. Gorbar, S. Spirig, T. Hocker, C. Brändli ZHAW-IMPE-Teams C. Brändli und D. Penner, Georg Fischer Piping Systems Innosuisse 2018–2021

Die bisherige Heizung besteht aus einer massiven Platte mit hoher thermischer Masse und zeichnet sich durch eine homogene Oberflächentemperatur aus. Diese über Jahrzehnte bewährte Heiztechnologie hat jedoch zwei entscheidende Nachteile: Die Heizung ist sehr träge und die grossflächige Wärmeabgabe kann zu einem ungleichmässigen Aufschmelzen der Rohrenden führen. Daher wurde in Zusammenarbeit mit Georg Fischer Piping Systems ein neues IR-Heizungskonzept entwickelt, mit welchem die Heizung dynamisch, zonenbasiert und adaptiv betrieben werden kann. Die neue Heizung besteht aus mehreren feinen Heizdrähten auf einem Keramiksupport, die einen gezielten und ökonomischen Aufwärmprozess ermöglichen. Dieses Konzept wurden über thermisch-fluidische Computermodelle entwickelt und mithilfe eines designierten Schweissprüfstands verifiziert, siehe Abb. 1.

Schmelzfront

Abb. 2: Mikrotomschnitt einer Schweissnaht im Lichtmikroskop.

Der Schritt von einer kleinen zu einer grossen, anwendungsnahen Prototypenheizung stellt jedoch eine weitere Hürde dar. Um diesem Ziel näher zu kommen, wird eine Kombination aus theoretischen und experimentellen Methoden verwendet. Beispielsweise werden unerwünschte, inhomogene Temperaturverteilungen an der Heizdrahtoberfläche aufgrund von thermisch leitenden Kontaktstellen zwischen Heizdraht und Support über CFD-Modelle optimiert, siehe Abb. 3.

Heizung Probenhalter Abb. 1: Prüfstand zum Verschweissen von Kunststoffproben. Abb. 3: Temperaturverteilung auf der Heizdrahtoberfläche.

Mit der neuen IR-Heizung konnte gezeigt werden, dass sich die verwendeten quaderförmigen Kunststoffproben optimal verschweissen lassen. Ihre Schmelzfronten wiesen entlang der Wandstärke eine sehr gleichmässige Form auf, siehe Abb. 2.

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1.15 Effektive Wärmeleitfähigkeit und CFD-Implementierung einer Heatpipe Heatpipes weisen aufgrund ihrer Bauweise eine gewaltige effektive Wärmeleitfähigkeit auf und sind in der heutigen Zeit nicht mehr aus elektronischen Geräten wie Smartphones oder Laptops wegzudenken. Sie haben jedoch auch für andere technische Anwendungen grosses Potential. Somit ist es essenziell, deren Wärmetransporteigenschaften genau zu kennen und eine genaue, aber möglichst simple Implementierung in CFD-Modellen zu realisieren. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

S. Ehrat, T. Hocker Wöhner GmbH Masterthesis 2020–2021

Abbildung 1 zeigt den Testaufbau zum Ausmessen von Heatpipes. Mittels einer temperaturgeregelten Heizpatrone, welche in einem Kupferblock sitzt, wurde die Heatpipe am rechten Bildrand beheizt. Am gegenüberliegenden Ende der Heatpipe ist ein Aluminiumkühlkörper angebracht, welcher die Wärme an die Umgebung abführt. Dies geschieht entweder rein über Naturkonvektion und Wärmestrahlung oder durch Einschalten des Lüfters am linken Bildrand mittels erzwungener Konvektion. Die Temperatur wird mithilfe Thermoelemente des Typ K an acht unterschiedlichen Stellen geloggt, siehe Abbildung 1. Um die Wärmeübertragung zwischen Kupferblock und Heatpipe sowie Heatpipe und Kühlrippen bestmöglich zu gewährleisten, sind alle Kontaktflächen mit Wärmeleitpaste versehen und gegeneinander verspannt. Die Temperaturfühler sind mittels Aluminiumklebeband an der Oberfläche befestigt. Weiter ist unter dem Klebeband ein wenig Wärmeleitpaste, um den Einfluss von Lufteinschlüsse zu minimieren.

Abb. 2: Darstellung der CFD-Simulationsergebnisse mit 100 °C Heizungstemperatur und erzwungener Konvektion erzeugt durch einen PC-Lüfter. Die Oberflächentemperaturen sind farblich und die Luftströmung in schwarz-weiss dargestellt.

Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse der Validierung des CFD-Modells für den Betrieb der Heatpipe mit und ohne Lüfter. Die Temperaturen an den Messstellen TC 1 und TC 8 weisen eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation auf. Somit ist die verwendete Wärmeleitfähigkeit, welches der einzige Fitparameter im CFD-Modell ist, als validiert zu betrachten. Die tiefere Temperatur von TC 8 bei erzwungener Konvektion deutet auf eine Austrocknung der Heatpipe im Bereich des Kupferblockes hin, was zu einer Reduktion der effektiven Wärmeleitfähigkeit führt. Bei der Wärmeabfuhr über natürliche Konvektion und Strahlung erreicht das Arbeitsmedium im Innenraum der Heatpipe eine effektive Wärmeleitfähigkeit von 50'000 W/(m*K). Diese Leitfähigkeit reduziert sich bei erzwungener Konvektion auf einen Wert von 4'440 W/(m*K), weil die Heatpipe an ihre Leistungsgrenze stösst.

Abb. 1: Testaufbau zum Ausmessen der eff. Wärmeleitfähigkeit einer Heatpipe; Kupferblock mit Heizpatrone (Rechts), Heatpipe (Mitte), Kühlrippen (Links), Lüfter für erzwungene Konvektion (Links); Bezeichnungen der T-Messpunkte oberhalb Grafik.

Die CFD-Implementierung des Testaufbaus wurde in ANSYS CFX realisiert. Um die Simulationsumgebung zu vereinfachen, ist die Heizquelle ist als Randtemperatur im Kupferblock definiert. Die Heatpipe selbst ist in zwei Gebiete aufgeteilt, eine Hülle aus Kupfer und einen Innenraum für das Arbeitsmedium. Diese Aufteilung widerspiegelt den echten Aufbau einer Heatpipe und liegt somit nahe an der Realität. Abbildung 2 zeigt das Ergebnis einer Steady-StateSimulation mit erzwungener Konvektion und einer Heiztemperatur von 100 °C. Die Heatpipe weist über die gesamte Länge einen Temperaturabfall von 56 °C auf und induziert einen Wärmestrom von 43.6 Watt.

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Abb. 3: Validierung des CFD-Modells für 100 °C Heizungstemperatur und 23 °C Raumtemperatur mit und ohne Lüfterbetrieb. TC 1 bezeichnet die Messtelle an der Heizung, TC 8 diejenige an den Kühlrippen.

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1.16 Simulation der Hüllentemperatur eines Heissluftballons Dieses Projekt hat zum Ziel, ein detailliertes physikalisches Modell eines Heissluftballons zu entwickeln, das seine Bewegung basierend auf realen Wetterdaten beschreibt. In einem vorgängigen Projekt wurde die Grundlage zur Simulierung erarbeitet und eine Versuchsfahrt zur Generierung von Daten zur Validierung des Modells durchgeführt. In diesem Projekt wird ein Heissluftballon-Modell in Berkeley Madonna implementiert, um die Versuchsfahrt nachzustellen und mit den gemessenen Hüllentemperaturen zu vergleichen. Mitwirkende: Partner: Dauer:

J. Stoll, T. Hocker, S. Ehrat Air Ballonteam Stefan Zeberli GmbH 2020

Das physikalische Modell eines Heissluftballons wird in Berkeley Madonna, basierend auf einer Massen-, Energie- und Impulsbilanz, implementiert. Durch iteratives Vorgehen wird das Modell mit Ballon-spezifischen Features wie dem Parachute, der Brennersteuerung oder dem Gasverbrauch erweitert. Für das Lösen der Bilanzen werden Inputgrössen benötigt. Um die Ergebnisse mit den gemessenen Grössen der Versuchsfahrt vergleichen zu können, müssen die Inputgrössen mit den während dem Versuch herrschenden Bedingungen übereinstimmen. Die Daten bezüglich des Ballons und der Beladung stammen von Stefan Zeberli. Die erforderlichen Wetterdaten werden von dem NCAR-Weather Data Archive bezogen. Da die Auflösung der Wetterdaten zu grob ist, kann eine Fahrt in x- und y-Richtung nicht nachvollziehbar dargestellt werden. Deshalb liegt der Fokus auf der Simulation der Heissluft- und Hüllentemperatur und dem Vergleich der Messdaten. Bei der genannten Versuchsfahrt wurde der Hopper «HB-QZT Homebuilt» vermessen. Dabei wurden Umgebungs- und Hüllentemperatur sowie die relative Luftfeuchtigkeit auf 80 m, 600 m, 880 m und 1100 m

über Boden erfasst. Um Daten für den Vergleich zu erhalten, werden anhand des Wärmebilds über die Höhe der Ballonhülle die Minimal, -Maximal- und mittlere Temperatur ermittelt. In Abbildung 1 sind die gemessenen und simulierten Temperaturen des finalen Modells über die Höhe aufgetragen. Es ist gut zu erkennen, dass die Hüllentemperatur von der Umgebungstemperatur abhängt. Das Modell liefert gute Ergebnisse, da die simulierte Temperatur zwischen der minimalen und mittleren Temperatur zu liegen kommt und die Abnahme der Hüllentemperatur mit zunehmender Flughöhe korrekt voraussagt. Eine anschliessende Sensitivitätsanalyse hat ergeben, dass der Unterschied zwischen Heissluft- und Hüllentemperatur 20 K – 30 K beträgt. Das Modell bietet eine gute Grundlage, um zu untersuchen, wie die unterschiedlichen Parameter miteinander zusammenhängen und beispielsweise auf Änderungen der Umgebungseinflüsse reagieren. Diese Ergebnisse sind für den Aviatik-Studiengang sowie Heissluftballonpiloten gleichermassen interessant.

Höhe über Boden [m]

1000 800 600 400 200 0 0

Temperatur [°C] Umgebungstemperatur [°C] Mittelwert Wärmebildmessung [°C] Simulation (1000kW Ballon: 50kg, 83kg) [°C]

Minimum Wärmebildmessung [°C] Maximum Wärmebildmessung [°C]

Abb. 1: Vergleich der mit einem Temperatursensor gemessenen Umgebungstemperatur in gelb, der mit der Wärmebildkamera gemessenen Minimal-/Maximaltemperatur in blau respektive orange, dem Mittelwert in grün sowie der simulierten Hüllentemperatur in dunkelblau. Für die Simulation wird eine Brennerleistung von 1'000 kW, eine Masse von 50 kg und einer Beladung von 83 kg verwendet.

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1.17 Lebensdauer von Goldkontaktkomponenten unter adhäsiver Verschleissbelastung Das Problem des adhäsiven Verschleisses von Goldkontaktschichten beeinträchtigt die Lebensdauer wichtiger elektronischer Schaltungskomponenten in Braillezeilengeräten. Ein numerisches Modell wurde entwickelt, um automatisierte, experimentelle Tests zu unterstützen, die von den Projektpartnern durchgeführt werden. Das Ziel ist eine zuverlässige Vorhersage des mechanischen Versagens und der geschätzten Lebensdauer von Braillezeilen-Instrumenten. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

Y. Safa, U. Mescheder, S. Kipke Helptech GmbH, Hochschule Furtwangen HFU Interreg 2019–2021

Verschiedene innovative technische Systeme werden eingesetzt, um die Lebensqualität von weltweit 250 Millionen blinden und sehbehinderten Menschen zu verbessern. Die Braillezeile verwendet eine Reihe von erhabenen Punkten, um Buchstaben und Zahlen darzustellen, die es einem Blinden ermöglichen, einen Text zu lesen. Ein erschwinglicheres Hilfsmittel ist das Refreshable Braille Display, das Blinden die Verbindung zu ihren Computern ermöglicht. Taktile Informationen werden dem blinden Benutzer durch kontinuierliches Heben und Senken verschiedener Kombinationen von Stiften übermittelt, während er den Cursor auf dem Bildschirm bewegt, siehe Abb. 1.

eine zuverlässige Vorhersage des adhäsiven Verschleisses des Goldkontakts. Ein automatisierter experimenteller Test wurde an der HFU von der Gruppe von Prof. Mescheder etabliert. Das entworfene System wendet eine repetitive Belastung mittels eines Schrittmotors an, der von einem Arduino gesteuert wird. Es wurde eine mikroskopische Sichtprüfung durchgeführt. Sie zeigt, dass ab einer bestimmten Anzahl von Belastungszyklen Verschleiss an der Goldkontaktfläche auftritt. Solche Experimente bieten eine Ergänzung zur computergestützten Modellierung am ICP für eine modellbasierte Optimierung des Knopfdesigns. Numerische Simulationen wurden unter Berücksichtigung verschiedener Parameter wie der Oberflächenrauheit, der Belastungsrate und der Kraftneigung durchgeführt. In einem ersten Schritt wurde ein Modell auf Basis eines globalen Ansatzes entwickelt. Ein elasto-plastisches dynamisches Reibkontaktproblem wurde auf der gesamten Kontaktfläche mit einem Open-SourceFinite-Elemente-Paket [1] gelöst. Es wurde ein lokaler Kontaktbereich mit hoher Scherspannung identifiziert. Im zweiten Schritt wurde ein lokaler Ansatz mit der Boundary-IntegralMethode angewandt, um das Haftkontaktproblem im genannten lokalen Bereich zu lösen. Es wurde eine raue Oberfläche mit zufälliger Höhe erzeugt, die den gemessenen Oberflächenamplituden entspricht. Das lokale Kontaktproblem wurde in der Fourier-Domäne des generierten Oberflächenspektrums gelöst, was eine um zwei Grössenordnungen schnellere Lösung als die traditionelle FEM ermöglichte [2]. In der lokalen Kontaktfläche sind Traktions-, Kontakt- und Adhäsionszonen enthalten, siehe Abb. 3.

Abb. 1: Braille-Modelle entwickelt von der Helptech GmbH.

Ein Mechanismus aus elektroaktivem Polymer wird verwendet, um jeden Punkt korrekt auf eine aktualisierte Höhe anzuheben, damit er gelesen werden kann. Die Elektroaktivierung stimuliert eine Druckspannung in einer PDMS-Membran, die sich durch Knicken auf eine bestimmte Höhe anhebt. Am ICP haben wir zusammen mit unseren Partnern von der HFU Furtwangen ein Modell zur Vorhersage der Knickamplitude der PDMS-Membran für gegebene Spannungssignale entwickelt, siehe Abb. 2

Abb. 2: rechnerische Vorhersage der PDMS-Schnalle unter Spannung.

Später, im Rahmen des Interreg-Projekts, wurde eine breitere Zusammenarbeit zur mechanischen Zuverlässigkeit des Braille-Tasten-Modells des deutschen Partners Helptech GmbH durchgeführt. Zwischen zwei leitenden Goldschichten zwischen der Braille-Taste und einer darunter liegenden Leiterplatte entsteht ein Reibungskontakt. Wenn ein blinder Benutzer wiederholt eine schräge Kraft auf die Taste ausübt, wird ein adhäsiver Verschleiss an der Goldoberfläche initiiert, der die Funktionsfähigkeit beeinträchtigt. Die erforderliche hohe Lebensdauer des Braille-Tools bedingt

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Quellenangabe: [1] Y. Renard, K. Poulios. GetFEM: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02532422 [2] Frérot et al Tamaas: Journal of Open Source Software, 5 (51), 2121, https://doi.org/10.21105/joss.0212

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1.18 Erweiterte Peridynamik-Fähigkeit bei der Vorhersage von mechanischen Fehlern Die computergestützte Peridynamik hat ihre Fähigkeit zur Vorhersage von Schäden in einer Vielzahl von industriellen Komponenten gezeigt, die von mesoskopischen Geräten bis zu grossen Windkraftanlagen reichen. Ein interessanter Beitrag zur laufenden Forschung wird durch eine einfache und zugleich genaue Formulierung der Spannungs-Dehnungs-Felder präsentiert. Dies erweitert die Anwendbarkeit der Peridynamik in der Bruchmechanik von Schichtstrukturen wie sie u. a. in Windkraftanlagen, Sensoren und Aktoren eingesetzt werden. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

A. S. Fallah, Y. Safa Brunel University London. Interreg, SNF Exchange Programme 2018–202

Schädigungen in geschichteten Strukturen lassen sich mithilfe der Peridynamik untersuchen. Durch die Verwendung ausschliesslich der Bruchenergie ist dieses nichtlokale Modell in der Lage, intra- und interlaminare Brüche zu erfassen. Dies hat eine grosse Auswirkung bei Konstruktionsanwendungen, bei denen dynamische Impuls- und Stossbelastungen aller Art zu berücksichtigen sind. Die daraus resultierenden Ergebnisse können zur Auslegung von linienförmigen Strukturen, wie z. B. Leichtbauflügeln und Tragflächen verwendet werden [1]. In der in diesem Bericht vorgestellten Arbeit wurde der nichtlokale Spannungstensor aus der Implementierung der bindungsbasierten Formulierung der Peridynamik abgeleitet. Sie stellt ein idealisiertes Modell der Wechselwirkung zwischen Punkten als Bindungen dar, siehe Abb. 1. Die Methode ist ausreichend allgemein und kann verwendet werden, um Spannungszustände in Problemen zu untersuchen, die Spannungs- Abb. 1: Konnektivität im peridynamischen konzentrationen, Singulari- Pseudogitter (läntäten oder Unstetigkeiten gere Bindungen sind enthalten. Es wurden zwei schwächer). Fallstudien durchgeführt, um die Spannungskonzentration um ein kreisförmiges Loch in einer quadratischen Platte sowie singuläre Spannungsfelder in der Nähe einer scharfen Rissspitze zu untersuchen. Der peridynamische Spannungstensor wurde mit Finite-Elemente-Approximationen und verfügbaren analytischen Lösungen verglichen. Es wurde gezeigt, dass die Peridynamik in der Lage ist, sowohl Scher- als auch Schubspannungen zu erfassen, und die erhaltenen Ergebnisse korrelieren gut mit denen, die mit analytischen Lösungen und Finite-Elemente-Approximationen ermittelt wurden. Es wurde ein integrierter MATLAB-Code entwickelt und angewendet, um ein peridynamisches 2D-Gitter zu konstruieren und anschliessend die Lösung der peridynamischen Bewegungsgleichung zu approximieren. Der Spannungstensor wurde mithilfe des Tensorprodukts der Bindungskraftprojektionen für Bindungen, die geometrisch durch den Punkt verlaufen, ermittelt. Um die Genauigkeit der vorhergesagten Spannungen in der Nähe einer Rissspitze zu be-

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werten, wurde der J-Integralwert sowohl mit einer direkten Konturnäherung als auch mit der äquivalenten Bereichsintegralmethode berechnet. Bei der Formulierung der Konturnäherung wurden die Bindungskräfte direkt verwendet, während bei der Domänenmethode der vorgeschlagene peridynamische Spannungstensor eingesetzt wurde. Die berechneten J-Integralwerte wurden mit denjenigen verglichen, die mit dem kommerziellen Finite-Elemente-Paket Abaqus 2018 ermittelt wurden. Der Vergleich gibt einen Hinweis auf die genaue Vorhersage des Spannungszustandes in der Nähe der Rissspitze, siehe Abb. 2. Diese Leistung ist in der Zeitschrift [2] dargestellt.

Abb. 2: Vergleich der Spannungen, die in einer Platte mit Spaltriss mit Hilfe von Abqus Finite-Elemente simuliert wurden, mit den Spannungen, die mit Hilfe der Bond-basierten Peri-Dynamik ermittelt wurden.

Quellenangabe: [1] Fallah A. S., Ghajari M., Safa. Y. Computational modelling of dynamic delamination in morphing composite blades and wings. Int. of Multiphysics Volume 13, Number 4, 2019. [2] Fallah A. S., Giannakeas I., Mella R., Wenman M., Safa Y., Bahai H. On the computational derivation of bond-based peridynamic stress tensor. Journal of Peridynamics and Nonlocal Modeling 2, 352–378 (2020).

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1.19 Kopplung von XFEM und Peridynamik zur Sprödbruchsimulation – Teil I: Machbarkeit und Effektivität Um die Rechenressourcen möglichst effizient zu nutzen und die Analysezeit unter Beibehaltung der Genauigkeit zu reduzieren, wird ein effizienter Algorithmus entwickelt, der die Kombination von Peridynamik und XFEM ermöglicht. Während beide Methoden gut etabliert sind, ist die Kombination der beiden eher neuartig und öffnet die Tür zur Untersuchung interessanter Merkmale bei der mehrskaligen Untersuchung von Wellenausbreitung und Rissbildung. Mitwirkende: Partner: Dauer:

I. N. Giannakeas, T. K. Papathanasiou, A. S. Fallah, H. Bahai Brunel University London 2016–2019

Es wird eine Kopplungsstrategie aus Peridynamik (PD) und erweiterter Finite-Elemente-Methode (XFEM) für die Simulation von Brüchen in spröden Materialien vorgestellt. Um die Berechnungseffizienz zu maximieren, werden die nichtlokalen Wechselwirkungen auf kleine PD-Felder in der Nähe der Rissspitzen beschränkt. Die vorgeschlagene Methodik kombiniert das PDFeld in der Nähe der Rissspitze mit der XFEM, die die Risskörpergeometrie ausserhalb der Domäne des lokalisierten PD-Gitters erfasst. Die Machbarkeit und Effektivität der vorgeschlagenen Methode wird an einem Mode-I-Rissöffnungsproblem untersucht.

Darüber hinaus ist es durch die Einführung von Geisterpartikeln an der Grenzfläche möglich, die Wellenausbreitung über die Grenzfläche mit minimaler Störreflexion zu erfassen.

Abb. 3: Impulsausbreitung im gekoppelten FE-PD-Modell, erfasst zu drei Zeitpunkten.

Bei Untersuchung eines 2D-Problems wird deutlich, dass der Fehler kleiner als ein Prozent, d. h. nur 1 % der Welle wird fälschlicherweise von der Grenzfläche zwischen den beiden Domänen reflektiert. Die Wirksamkeit und Machbarkeit des vorgeschlagenen und implementierten Kopplungsschemas werden anhand einer Reihe von Beispielen bewertet. Zunächst werden zwei einfache Probleme gelöst, um die Kopplung unter statischen und dynamischen Bedingungen zu bewerten. Sowohl die Bruchfortpflanzung unter statischer Belastung als auch die Wellenfortpflanzung aufgrund von Impulsbelastung werden untersucht und die Effizienz der vorgeschlagenen Methode durch einen Vergleich der Rechenkosten quantifiziert.

Abb. 1: Schematische Darstellung der PD-XFEM-Kopplung.

Die vorgeschlagene Methode ermöglicht eine genaue Simulation des Rissfortschritts einschliesslich der Verzweigung ohne die Notwendigkeit, fremde Parameter wie die T-Spannung zu verwenden.

Literaturverzeichnis: Giannakeas, I. N., Papathanasiou, T. K., Fallah, A. S. and Bahai, H., 2020. Coupling XFEM and peridynamics for brittle fracture simulation—part I: feasibility and effectiveness. Computational Mechanics, 66(1), pp.103-122. Abb. 2: Einführung von Geisterteilchen und Diskretisierung in der Nähe der Kopplungsschnittstelle.

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1.20 Kopplung von XFEM und Peridynamik zur Sprödbruchsimulation – Teil II: Adaptive Verlagerungsstrategie Um die Rechenressourcen so effizient wie möglich zu nutzen und die Analysekosten zu reduzieren, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen, wurde ein effizienter Algorithmus entwickelt, der die Kombination von Peridynamik und XFEM ermöglicht und zur Untersuchung von Problemen der Festkörpermechanik verwendet wird. Auf diese Weise wird ein kosteneffizientes Modell geschaffen, das für die Untersuchung komplexer Funktionen wie der Mehrskalenuntersuchung der Wellenausbreitung und des Bruchs verwendet werden kann. Mitwirkende: Partner: Dauer:

I. N. Giannakeas, T. K. Papathanasiou, A. S. Fallah, H. Bahai Brunel University London 2016–2019

Die in der vorangegangenen Arbeit vorgestellte Kopplungsstrategie von Peridynamik (PD) und erweiterter Finite-Elemente-Methode (XFEM) für die Simulation von Brüchen in spröden Materialien wird durch eine adaptive Verlagerungsstrategie implementiert. Um die Berechnungseffizienz zu maximieren, werden die nichtlokalen Wechselwirkungen auf kleine PD-Domänen in der Nähe der Rissspitzen beschränkt und dürfen sich während der Analyse adaptiv ausdehnen und zusammenziehen. Die adaptive Verschiebungsstrategie ermöglicht die Ausdehnung und Kontraktion dieses Bereichs, um die Effizienz und Genauigkeit der Berechnung zu gewährleisten. Die Machbarkeit und Effektivität der vorgeschlagenen Methode wird an einem Mode-I-Rissöffnungsproblem untersucht.

dem die PD-Theorie angewendet wird, kann zu einer Verbesserung der gesamten Rechenkosten der Lösung führen. Die hier vorgestellten numerischen Ergebnisse zeigen signifikante Einsparungen in Bezug auf den Speicherbedarf und die CPU-Zeit.

Abb. 3: Verzweigungs- und Verlagerungsstrategie. Abb. 1: Schematische Darstellung des zweistufigen Verfahrens zur adaptiven Verlagerung der TE-Domäne.

Die Wirksamkeit und Machbarkeit des vorgeschlagenen Kopplungsschemas werden anhand einer Reihe von Beispielen bewertet. Das Expansions-/Kontraktionsverfahren ermöglicht, zunächst das Rissmuster zu erfassen und dann nach Bedarf zu verlagern, mit der Möglichkeit der Aufspaltung, falls sich der Anfangsriss verzweigt. Darüber hinaus kann bei statischen Problemen, bei denen die endgültige Risslänge nicht bekannt ist, der Expansionsschritt so oft wie nötig wiederholt werden, bis Konvergenz erreicht ist.

Die vorgeschlagene Methode ermöglicht eine genaue Simulation der Rissausbreitung einschliesslich Verzweigung und es wird gezeigt, dass mehrere PDSubdomänen möglich sind.

Literaturverzeichnis: Abb. 2: Adaptive Verlagerung von mehreren PD-Patches für einen einzelnen Riss im Medium.

Giannakeas, I. N., Papathanasiou, T. K., Fallah, A. S. and Bahai, H., 2020. Coupling XFEM and peridynamics for brittle fracture simulation—part I: feasibility and effectiveness. Computational Mechanics, 66(1), pp.103-122. Giannakeas, I. N., Papathanasiou, T. K., Fallah, A. S. and Bahai, H., 2020. Coupling XFEM and Peridynamics for brittle fracture simulation: part II—adaptive relocation strategy. Computational Mechanics, 66(3), pp.683-705.

Das Segment eines Risses im XFEM-Subdomain wird mit der Level-Set-Methode gekennzeichnet, die Sprünge im Verschiebungsfeld über den Riss erlaubt. Die Begrenzung des nichtlokalen Bereichs, in

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2 Elektrochemische Zellen und Mikrostrukturen Brennstoffzellen sind ein herausragendes Beispiel für elektrochemische Zellen. Sie verwandeln Treibstoffe wie Wasserstoff, Erdgas oder Methanol in elektrische Energie und Hitze. Brennstoffzellen können an Stelle von Batterien in Elektrogeräten verwendet werden, zur kombinierten Erzeugung von Hitze und Elektrizität in Haushalten und als Energiequelle in elektrischen Fahrzeugen. Wegen ihres flachen Designs können Brennstoffzellen leicht skaliert werden, indem sie zu Serien in der Form von Stapeln zusammengefasst werden. Elektrische Wirkungsgrade von über 60 % sind möglich, was deutlich über denen anderer dezentralisierter Energieerzeugungstechnologien liegt. Redox-Flow-Batterien gelten als vielversprechende Energiespeichertechnologie. Diese Batterien sind hocheffizient und bieten eine Engergiespeicherlösung für fluktuierende Energie aus Windkraftanlagen und Photovoltaikzellen. Das ICP unterstützt den Fortschritt bei der Entwicklung von elektrochemischen Zellen durch die Entwicklung von Multiphysik-Computermodellen. Grundsätzlich kann uns das Modellieren dabei helfen, die Kopplung von chemischen, thermischen, elektrischen, mechanischen und strömungstechnischen Prozessen besser zu verstehen mit dem Ziel, Schwächen des Systems zu erkennen und Design-Verbesserungen anzubieten. Häufig basieren diese Modelle auf detaillierten Informationen über die Mikrostrukturen der untersuchten Materialien. Deshalb ist beispielsweise die Charakterisierung von Gas-Diffusionsschichten und der Elektrolyt-Mikrostruktur in 2D oder 3D ein integraler Bestandteil unserer Modellierungsarbeiten. Neben Brennstoffzellen und Redox-Flow-Batterien arbeiten wir auch an der Modellierung von Perowskit-Solarzellen und photoelektrochemischen Zellen (PECs), welche die Sonnenenergie zur Spaltung von Wasser und so zur Herstellung von Wasserstoff als Treibstoff verwenden. Die meisten Forschungsprojekte entstehen in Zusammenarbeit mit unseren strategischen Partnern Hexis AG in Winterthur (SOFC), Paul Scherrer Institut in Villigen (PEFC), EPFL in Lausanne (Wasserstofferzeugung) und Universität Ulm (virtuelle Mikrostrukturen).

D. Bernhardsgrütter

R. Herrendörfer

G. Mourouga

R. Schärer

J. Schumacher

J. Wlodarczyk

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2.1

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Makro-homogene Modelle für organische Flussbatterien

Redox-Flussbatterien sind eine vielversprechende Technologie zur stationären Energiespeicherung. Die Verwendung reichlich vorhandener, kostengünstiger, organischer Verbindungen stellt eine attraktive Alternative zur Verwendung von konventionellen Elektrolyten dar. Die Identifikation geeigneter organischer Verbindungen für Redox-Flussbatterien ist jedoch aufgrund des grossen verfügbaren chemischen Raums eine Herausforderung. In dem europäisch geförderten Projekt SONAR wird eine mehrskalige Modellierungs- und Optimierungsumgebung entwickelt, welche schnelle Screening chemischer Verbindungen als auch die Optimierungen von RedoxFlussbatteriekomponenten und des gesamten Systemdesigns ermöglicht. Als Teil der mehrskaligen Modellierungsumgebung werden am ICP makrohomogene Zellmodelle entwickelt, die eine effiziente Simulation wichtiger physikalisch-chemischer Prozesse innerhalb einer elektrochemischen Zelle erlauben. Mitwirkende: Partner:

Finanzierung: Dauer:

R. P. Schärer, G. Mourouga, J. Wlodarczyk, J. O. Schumacher Fraunhofer Institute for Chemical Technology, Fraunhofer Institute for Algorithms and Scientific Computing, Technical University of Denmark, Laboratories de Réactivité et Chimie des Solides, Karlsruhe Institute of Technology, University of New South Wales Europäische Kommission, Horizon 2020 2020–2023

Der grosse chemische Raum, der für organische Redoxpaare zur Verfügung steht, ermöglicht eine hohe Justierbarkeit der chemischen Eigenschaften. Eines der Hauptziele des SONAR-Projekts [1] ist die Identifikation vielversprechender Verbindungen für organische Redox-Flussbatterien, um die kommerzielle Nutzung sicherer und kostengünstiger Energiespeicher zu beschleunigen. Zu diesem Zweck wird im Rahmen des SONAR Projekts eine mehrskalige Modellierungs- und Simulationsumgebung entwickelt, die die mathematische Beschreibung von organischen Redox-Flussbatterien von der atomistischen Skala bis zum Micro-Grid ermöglicht. Die am ICP entwickelten Kontinuumsmodelle ermöglichen die Simulation physikalisch-chemischer Effekte innerhalb einer einzelnen elektrochemischen Zelle. Die Kontinuumsmodelle beschreiben die thermodynamischen Kräfte und Flüsse von Masse und Ladung, die elektrochemischen Reaktionen des aktiven Materials in den porösen Elektroden sowie die kritischen Transportphänomene innerhalb der Membran. Das von uns entwickelte 0-D U-I-SoC-Modell ermöglicht die Vorhersage der Zellleistung in Bezug auf den Ladezustand (SoC) der Batterie und die elektrische Stromdichte. Das Modell berücksichtigt die entscheidenden Aktivierungs- und Konzentrationsüberspannungen an der Elektrodenoberfläche sowie den elektro-osmotischen Effekt, der zu Volumenänderungen durch den Transfer von Lösungsmittel zwischen den Halbzellen führt. Dank der Dimensionsreduktion erlaubt das Modell eine Auswertung in Echtzeit. Abbildung 1 zeigt einen Konturplot der Zellspannung und Leistungsdichte als Funktion des Ladungszustands und der Stromdichte, wie sie vom 0-D-U-I-

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SoC-Modell vorhergesagt werden. Vorläufige Validierungsstudien mit dem MV/TMATEMPO-System zeigen eine vielversprechende Übereinstimmung zwischen dem Modell und Polarisationsexperimenten. Eine erste Version des Modells, welches sich in aktiver Entwicklung befindet, wurde bereits als OpenSource-Software veröffentlicht [2].

Abb. 1: Vorhergesagte Zellspannung (oben) und Leistungsdichte (unten) einer elektrochemischen Zelle durch das 0-D U-I-SoC Modell.

Literatur: [1] SONAR project web site: https://www.sonar-redox.eu [2] GitHub repository: https://github.com/Isomorph-ElectrochemicalCells

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2.2

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DeMaPEM: Entwicklung und Vermarktung von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen für Transportanwendungen

In diesem Projekt entwickeln wir Simulationslösungen von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) für Transportanwendungen. Zur Vorbereitung der Vermarktung von Modellen und Simulationsdiensten haben wir eine Webseite mit kundenorientierten Produktbeschreibungen erstellt. Darüber hinaus arbeiten wir an einem Businessplan. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

R. Herrendörfer, J. O. Schumacher Paul Scherrer Institut (PSI) BFE 2019–2021

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) haben das Potenzial, fossile Kraftstoffe durch reinen Wasserstoff zu ersetzen und damit zu einer wesentlichen Dekarbonisierung des Verkehrssektors zu führen. Das Ziel dieses Projektes ist es, an der internationalen Wertschöpfungskette von brennstoffzellenbetriebenen Transportanwendungen teilzunehmen. Wir bereiten die Vermarktung von Berechnungslösungen vor, die auf die Bedürfnisse von Unternehmen und Forschungsinstituten zugeschnitten sind, mit einem Fokus auf Membran-ElektrodenEinheiten (MEAs) und Einzelzellen-PEMFCs. In Zusammenarbeit mit dem Paul Scherrer Institut haben wir ein Modell zur Simulation der Verdunstung innerhalb einer Gasdiffusionsschicht (GDL) in Kontakt mit einem Gasströmungskanal (GFC) entwickelt (Abbildung 1). In unserem isotropen und isothermen 2-D-Modell entlang des Kanals (Abbildung 1b) wird die Verdampfung bei niedrigen Gasgeschwindigkeiten durch Konvektion in der GFC und bei hohen Gasgeschwindigkeiten hauptsächlich durch Diffusion senkrecht durch die GDL begrenzt (Abbildung 3), was durch Normalisierung der Ergebnisse für verschiedene Temperaturen und Trägergasarten demonstriert wird (Abbildung 2). Es zeigt sich, dass nicht-isotherme Effekte bei hohen Verdunstungsraten bei hohen Temperaturen, Gasgeschwindigkeiten und Diffusionskoeffizienten wichtig werden. Der Vergleich mit dem 3-D-Modell zeigt, dass der Beitrag der Verdampfung unterhalb der Rippe nicht vernachlässigt werden kann. Um unsere Modelle weiter zu verbessern, haben wir eine neue Randbeschreibung des Flüssigwasserflusses an der Grenze zwischen einer Gasdiffusionsschicht und einem Gasströmungskanal in ein zeitabhängiges 1-D-Modell implementiert, welches die Bildung, das Wachstum und die Ablösung von Tröpfchen einschliesst. Zur Vorbereitung der Vermarktung von Modellen und Simulationsdienstleistungen haben wir eine Webseite mit kundenorientierten Produktbeschreibungen erstellt. Die Webseite richtet sich an Partner aus Industrie und Wissenschaft. Wir arbeiten derzeit an einer ersten Version eines Businessplans. Um die

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Sichtbarkeit unserer Produkte weiter zu erhöhen, haben wir unser Open-Source 1-D-Master-MEA-Modell über ein Github-Software-Repository zugänglich gemacht (https://github.com/Isomorph-Electrochemical-Cells/PEMFC-1DMMM).

Abbildung 1: Aufbau des (a) 3-D- und (b) 2-D-Modells der Verdampfung in einer GDL in Kontakt mit einem Gasströmungskanal.

Abbildung 2: Normierte Verdunstungsraten in Abhängigkeit von normierten Gasgeschwindigkeiten. Die Normalisierung basiert auf konvektiven und diffusiven Transportlimitierungen bei niedrigen bzw. hohen Gasgeschwindigkeiten.

Abbildung 3: 2-D-Modellergebnisse bei hohem U/Un: relative Feuchte RH (links) und diffusiver (D) und konvektiver (C) durch die Ebene (tp) und in der Ebene (ip) normalisierter Wasserdampffluss.

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2.3

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3-D-Modell des Wasser- und Wärmetransports in PEMFCs bei Verdunstungskühlung und Befeuchtung

Es wurde gezeigt, dass Verdampfung in Gasdiffusionsschichten (GDL) mit hydrophilen Linien eine gleichzeitige Kühlung und Befeuchtung in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) ermöglicht. Das Ziel dieser Studie ist es, unser Verständnis der Verdunstungskühlung und -befeuchtung durch numerische Modellierung zu verbessern. Wir untersuchen die dominanten Wärme- und Wassertransportprozesse und analysieren die lokale Sensitivität der Simulationsresultate auf Änderungen der Betriebsbedingungen und Modellparametrierungen. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

R. Herrendörfer, J. O. Schumacher SCCER Mobility, Paul Scherrer Institut (PSI) Innosuisse 2014–2020

Die Verdunstungskühlung ist ein vielversprechendes Konzept, um das Wasser- und Wärmemanagement in PEMFCs zu optimieren und dadurch Kosten zu reduzieren. Es basiert auf der Verdampfung von Wasser direkt in der Zelle, um eine gleichzeitige Befeuchtung und Kühlung zu ermöglichen. Das PSI hat ein Konzept entwickelt, das ausschliesslich auf Modifikationen der Anoden-Gasdiffusionsschicht basiert, indem die Benetzungseigenschaften lokal von hydrophob zu hydrophil verändert werden. Experimentelle Arbeiten am PSI haben die Anwendbarkeit dieses Konzepts gezeigt [1–2]. Am ICP haben wir ein 3-D, makro-homogenes, nichtisothermes Zweiphasenmodell entwickelt, um die dominanten Wärme- und Wassertransportprozesse während der Verdunstungskühlung und -befeuchtung zu untersuchen (Abbildung 1). Wir lösen Transportgleichungen für Gas, flüssiges Wasser, gelöstes Wasser, Wärme, Elektronen und Protonen. In unserem Referenzmodell einer Testzelle, das hinsichtlich der Betriebsbedingungen und Materialeigenschaften an den Versuchsaufbau am PSI angepasst wurde [1], findet die Verdampfung in der hydrophilen Linie der GDL primär im Kontakt mit dem Gasstrom und zu einem geringeren Anteil im Kontakt mit dem hydrophoben Teil der GDL statt (Abbildung 2b). Der grösste Teil des erzeugten Wasserdampfes wird zum Ausgang des Anoden-Gasstromkanals transportiert und nur ein kleiner Teil des Wasserdampfes diffundiert zur Kathodenseite (Abbildung 2a–b). Der in der Membran gelöste Wassergehalt ist auf der Anodenseite der Membran unterhalb der hydrophilen Linie und des Flüssigwasserkanals am höchsten (Abbildung 2c). Darüber hinaus wird die Rolle des Wasserverdunstungstransferkoeffizienten in Bezug auf die Wasserdampftransportbeschränkungen untersucht.

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Quellenangabe: [1] Cochet, M., A. Forner‐Cuenca, V. Manzi, M. Siegwart, D. Scheuble, and P. Boillat. Fuel Cells 18 (5): 619–26, 2018 [2] Cochet, M., A. Forner‐Cuenca, V. Manzi, M. Siegwart, D. Scheuble, and P. Boillat. JEC, 67 (8): 084518, 2020

Abbildung 1: 3-D-Modellaufbau. Anodenströmungsfeld mit je einem Gas- und Flüssigwasserkanal, ein Kathodenströmungsfeld mit zwei Gaskanälen. Die Membranelektrodenanordnung umfasst die hydrophobe Anoden-Gasdiffusionsschicht mit einer hydrophilen Linie.

Abbildung 2: Wassermanagement an der Anodenseite (oben) und Kathodenseite (unten). (a) Relative Feuchte (RH). (b) Verdunstungsrate und Stromlinien des Wasserdampfstroms. (c) Stromlinien des Flüssigwasserflusses und des gelösten Wasserflusses, in der Membran gelöster Wassergehalt ().

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2.4

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Thermodynamisch konsistenter Ansatz zur Modellierung von Redox-Flow-Batterien

Organische Redox-Flow-Batterien (ORFB) stellen einen vielversprechenden und kostengünstigen Ansatz zur stationären Speicherung elektrischer Energie dar. Dabei können längere Lebensdauern der Batterien im Vergleich zu konkurrierenden Speichertechnologien erreicht werden [1]. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis der Thermodynamik wässriger Elektrolyte zu erlangen, um die Leistung und Lebensdauer dieser Batterien genauer vorhersagen zu können. Das ICP arbeitet in diesem Zusammenhang mit dem FlowCamp-Konsortium zusammen, einem Forschungs- und Ausbildungsprojekt, das vom Marie-Sklodowska-Curie-Förderprogramm der Europäischen Union finanziert wird. An FlowCamp sind 11 Partnerorganisationen aus 8 verschiedenen Ländern beteiligt. Die Forschung in FlowCamp zielt auf die Verbesserung von Materialien für leistungsstarke und kostengünstige Redox-Flow-Batterien der nächsten Generation. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

G. Mourouga, X. Yang, R. P. Schärer, E. Baudrin, J. O. Schumacher, T. J. Schmidt ETH Zürich, Univ. Grenoble-Alpes, JenaBatteries, Univ. Picardie Europäische Kommission, Horizon 2020, Marie Skłodowska-Curie Training Networks 2018–2021

Bei der Formulierung von Modellen für Redox-FlowBatterien wird üblicherweise die Annahme verdünnter Lösungen getroffen. Dabei befindet sich der Elektrolyt in einem hypothetischen Idealzustand, bei dem gegenseitige Wechselwirkungen der chemischen Spezies vernachlässigt werden. ideal solution

Aktivitätskoeffizienten beeinflussen auch den osmotischen Transport von Wasser durch die Ionenaustauschermembran während des Batteriebetriebs.

Real solution

Abbildung 1: Ideale Lösung (links): Wechselwirkungen werden vernachlässigt. / Reale Lösung (rechts): Für die Elektrolyteigenschaften sind elektrostatische und kurzreichweitige Wechselwirkungen entscheidend.

Abbildung 3: Positives (links) and negatives (rechts) Reservoir nach dem Durchlaufen mehrerer Lade-/Entladezyklen. Die Füllhöhe war anfangs gleich.

Wechselwirkungen zwischen den Molekülen des Elektrolyts werden durch Korrektur der Konzentrationen mit einem Aktivitätskoeffizienten erfasst, der lösungsabhängig ist und experimentell bestimmt werden muss. Da die Wechselwirkungen den Gefrierpunkt der Lösung beeinflussen, ist es möglich, den Aktivitätskoeffizienten durch Messung des Gefrierpunkts in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Elektrolyts zu berechnen.

Durch das Nernst'sche Gesetz ist es auch möglich, genauere Zellspannungsvorhersagen zu machen, wenn man die Berechnungen mit Aktivitäten statt mit Konzentrationen durchführt. Das Ziel unserer Arbeit im FlowCamp-Projekt ist es, einen thermodynamisch konsistenten Ansatz für die Simulation organischer Redox-Flow-Batterien zu liefern, einschliesslich der Betriebsbedingungen, der Transportprozesse und des thermischen Managements. [1] X. Wei et al., “Materials and Systems for Organic Redox Flow Batteries: Status and Challenges,” ACS Energy Lett., vol. 2, no. 9, pp. 2187–2204, Sep. 2017

Abbildung 2: Gefrierpunkt von Calciumchlorid als Funktion der Molalität (links). Standardabweichung (rechts).

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2.5

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Mikroskalige Modellierung zur Kopplung von Massentransport und konvektiver Strömung in porösen Elektroden für Redox-Flow-Batterien

Zur Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Energiequellen ist ein massiver Zubau an elektrischen Energiespeichern notwendig. Redox-Flow-Batterien stellen eine neuartige Technologie zum Ausgleich von Stromnachfrage und -versorgung mittels reversibler elektrochemischer Reaktoren dar. In dieser Studie untersuchen wir die makroskopische Elektrolytströmung in porösen Elektroden für den Einsatz in Redox-Flow-Batterien. Dies dient z. B. einem verbesserten Elektrodenmikrostrukturdesign. Die Studie ist Teil des FlowCamp-Projekts [1] (ein EUForschungs- und Ausbildungsprojekt) und des EU-Projekts SONAR [2]. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

J. K. Włodarczyk, G. Mourouga, R. P. Schärer, J. O. Schumacher Fraunhofer ICT (Deutschland), LRSC Amiens (Frankreich), unter anderem EU, Horizon 2020, Marie Skłodowska-Curie Actions 2018–2021

In Redox-Flow-Batterien zur Energiespeicherung treten hohe elektrische Stromdichten auf. Um die zulässige Stromdichtegrenze zu erhöhen, ist die Verwendung von porösen Elektroden mit hoher spezifischer Oberfläche erforderlich. Das Verständnis des Einflusses der konvektiven Strömung innerhalb der Poren auf die elektrochemische Leistung poröser Elektroden ist entscheidend für ein verbessertes Design und die Optimierung der Betriebsbedingungen. In den EU-Projekten FlowCamp [1] und SONAR [2] haben wir die oben genannten Fragen in einer systematischen Studie mit Hilfe von numerischen Modellen untersucht. In der gegenwärtigen Phase streben wir eine möglichst einfache Darstellung einer porösen Elektrode durch ein periodisches Elektrodenelement an (Abbildung 1). Es besteht aus einer weiss dargestellten Elektrodenmatrix (feste Phase) und einem Hohlraum, in dem der flüssige Elektrolyt strömt. Auf der linken und rechten Seite dieser Zelle haben wir eine periodische Randbedingung für die Geschwindigkeit des Elektrolyts und am oberen und unteren Rand eine Symmetrie-Randbedingung implementiert. Die Elektroden-Porosität variieren wir durch Veränderung der Radien der Fasern. Für gegebene Druckdifferenzen über die Zelle (Strömung von links nach rechts) lösen wir die Navier-Stokes-Gleichungen für laminare Strömung. Die simulierte Permeabilität K der Elektrode ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Abbildung zeigt auch einen Vergleich mit einer von Yazdchi et al. [3] veröffentlichten Studie.

Abbildung 1: Geometrie der vorgeschlagenen periodischen Zelle, die zur Untersuchung kombinierter makroskopischer Strömungsund Massentransportphänomene verwendet wird (Konturen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit sind eingeblendet). Weisse Halbkreise sind der Querschnitt der periodischen Elektrodenmatrix (Fasern).

Als nächstes koppeln wir die konvektive Strömung mit dem Transport chemischer Spezies und der elektrochemischen Reaktion, um die Reaktantenverteilung auf der Porenskala zu analysieren. 1.0E+03

K/d2 (non-dimensional permeability)

1.0E+02

1.0E+01

1.0E+00 0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0E-01

1.0E-02

1.0E-03

0.1 Pa 100 Pa 1e5 Pa Yazdchi et al.

1.0E-04

1.0E-05

Porosity (-)

Abbildung 2: Validierung des Modells anhand einer Studie von Yazdchi et al. [3] als Benchmark. [1] Projektwebsite: https://www.flowcamp-project.eu/ [2] Projektwebsite: https://www.sonar-redox.eu/ [3] K. Yazdchi, S. Srivastava, and S. Luding, “Microstructural effects on the permeability of periodic fibrous porous media,” International Journal of Multiphase Flow, vol. 37, no. 8, pp. 956–966, Oct. 2011, doi: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2011.05.003.

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3 Organische Elektronik und Photovoltaik Organische Halbleiter erfreuen sich grosser Aufmerksamkeit seit 1987, als organische Leuchtdioden (OLEDs) von führenden Wissenschaftlern bei Kodak in den USA erfunden wurden. Nach mehr als 30 Jahren Forschung und Entwicklung und weltweiten Anstrengungen bei der Kommerzialisierung dieser Technik sind wir nun Zeugen einer grossen Bandbreite an OLED-Displays in Alltagsprodukten, die von Mobiltelefonen bis zu 77-Zoll-Fernsehern reichen. Die besonderen Vorteile der OLED-Technik liegen in ihrer dünnen Bauweise, dem grossen Betrachtungswinkel, der Farbskala und hohen Effizienz bei der Energieumwandlung. OLEDs bestehen aus einer Sequenz von dünnen organischen Halbleiter-Schichten, die zwischen zwei metallischen Elektroden angebracht werden. Organische Halbleiter finden auch Beachtung als starke Lichtabsorber und Ladungstransportmaterialien in organischen Solarzellen, mit denen flexible PV-Module gebaut werden können. In den letzten Jahren waren organische Halbleiter auch der Schlüssel für die bahnbrechende Perowskit-Solarzelle, eine organisch-anorganische Hybrid-Technologie, welche die bedeutendste sich in Entwicklung befindende Photovoltaik-Technologie ist und auch ein grosses Potenzial bei LED-Anwendungen und Memristoren hat. Lumineszierende Quantenpunkte sind wichtige Bestandteile neuartiger Bildschirme, die wir ebenfalls charakterisieren. Tiefer in der unsichtbaren Bandbreite der elektromagnetischen Wellen ist die Terahertz-Photonik, ein wachsendes technisches Feld für nicht-invasive Diagnose-Anwendungen. Das ICP betreibt Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der OLEDs, OPV, Perowskit-PV und nicht linearen optischen Kristalle für Terahertz-Photonik-Messsysteme. Im ICP-Labor stellen wir zu Forschungs- und Entwicklungszwecken OLEDs und neuartige Solarzellen in einem kleinen Rahmen her, zusätzlich haben wir ein neuartiges Terahertz-Photonik-Messsystem aufgebaut. Im unsichtbaren Spektralbereich der elektromagnetischen Wellen ist die Terahertz-Photonik angesiedelt als ein wachsendes technisches Feld für nicht invasive Diagnose-Anwendungen. Nebst numerischen Methoden zur Lösung von Modellgleichungen haben wir auch Erfahrungen gesammelt mit maschinellem Lernen. Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die laufenden Forschungs- und Entwicklungsprojekte, die auf diesem interdisziplinären Forschungsgebiet des ICP ausgeführt werden.

M. Auer

M. Battaglia

E. Comi

F. Ebadi Garjan

M. Jazbinsek

C. Kirsch

G. KIssling

E. Knapp

K. Pernstich

U. Puc

M. Regnat

B. Ruhstaller

A. Schiller

W. Tress

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S. Züfle

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3.1

Institute of Computational Physics

Parameterextraktion von Silizium-Solarzellen durch ein mit simulierten Daten trainiertes neuronales Netzwerk

Simulationen können die Optimierung von Solarzellen unterstützen, indem sie wichtige Zelleigenschaften vorhersagen. Zu diesem Zweck haben wir ein neuronales Netzwerk (NN) mit simulierten Elektrolumineszenz (EL)-Bildern trainiert und anschliessend die vorhergesagten Parameter mit einer EL-Messung einer Silizium-Solarzelle mit einem absichtlich eigebauten Defekt validiert. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

M. Battaglia, E. Comi, E. Knapp, B. Ruhstaller Fluxim AG Innosuisse 2019–2021

Im AIPV-Projekt arbeitet das ICP mit der Fluxim AG zusammen, die Simulationssoftware und Messhardware für die Industrie und den akademischen Bereich anbietet. Eine der kommerziell verfügbaren Softwares ist Laoss, die für Simulationen von grossflächigen Solarzellen und OLEDs verwendet wird, bei denen die oberen und unteren Elektroden auf 2D-Domänen reduziert und mit einer lokalen IV-Kurve gekoppelt sind. In diesem Projekt wollen wir herausfinden, ob die manuelle Anpassung von Zellparametern durch maschinelles Lernen ersetzt werden kann. Zu diesem Zweck haben wir ein NN mit einem Trainingsset von 150'000 EL-Bildern trainiert, die in Laoss simuliert wurden. Das erfolgreiche Training von neuronalen Netzen erfordert eine grosse Menge an Daten. Aus diesem Grund sind synthetische Daten aus Simulationen für diesen Zweck ideal geeignet, da sie in grossen Mengen inklusive Parametervariationen erzeugt werden können. Bei den simulierten Trainingsdaten muss jedoch sichergestellt werden, dass die Eigenschaften einer real gemessenen Zelle sorgfältig nachmodelliert werden, um die Übertragbarkeit des NN für eine genaue Vorhersage der Zellparameter zu gewährleisten. Die simulierte Zelle bestand aus einem

Shunt, einer aktiven Zellfläche und mehreren gut leitenden Metallfingern. Die gewünschten Parameter aus diesen drei Subdomains (Innenwiderstand, Schichtwiderstand und Dunkelsättigungsstrom) wurden für das Training des NNs zufällig variiert. Abbildung 1 a) zeigt die EL-Messung einer geshunteten Siliziumzelle und das simulierte EL-Bild ist in Abbildung 1 b) dargestellt. Das gemessene EL-Bild wurde dann verwendet, um die Zellparameter der drei Subdomains zu bestimmen. Die Zelle wurde anschliessend mit diesen Parametern erneut simuliert und mit der Messung verglichen. Dies ist in Abbildung 1 c) anhand eines horizontalen Querschnitts im Bereich des Shunts und des Vergleichs der Sperrschichtspannung dargestellt. Diese Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, mit einem neuronalen Netz, das mit synthetischen Bilddaten trainiert wurde, Zellparameter zu bestimmen.

Abbildung 1: Gemessenes (a) und mit Laoss simuliertes (b) EL-Bild einer Silizium-Solarzelle mit einem absichtlich eingebauten Shunt und Metallfingern (vertikale Linien) sowie einem horizontalen Querschnitt der resultierenden Sperrschichtspannung, wenn das Gerät mit den vorhergesagten Parametern aus dem NN, trainiert mit zwei verschiedenen Trainingssätzen, erneut simuliert wird (c).

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3.2

Institute of Computational Physics

Experimentelle Validierung eines elektrothermischen Kleinsignalmodells für grossflächige Perowskitsolarzellen

Um die Defektdetektion in Perowskit-Solarzellen zu verbessern, legen wir ein oszillierendes sinusförmiges Spannungssignal an die Zellen an und messen die resultierende Temperatur mit einer Infrarotkamera. Ein Vergleich mit Simulationen kann dabei helfen, den Ursprung der Defekte zu bestimmen und ermöglicht deren Quantifizierung. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

E. Comi, E. Knapp, B. Ruhstaller Fluxim AG, Empa, Solaronix S.A. Masterarbeit, Innosuisse 2020–2021

Perowskit-Dünnschicht-Solarzellen haben in den letzten Jahren aufgrund schnell steigender Wirkungsgrade viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die Hochskalierung dieser Technologie von kleinen Laborzellen zu grossflächigen Modulen ohne Einbussen bei Effizienz und Stabilität ist jedoch noch eine zu lösende Herausforderung für die erfolgreiche Kommerzialisierung. Die Herstellung von Perowskit-Modulen im Siebdruckverfahren ist ein wichtiger Schritt in Richtung Industrialisierung. Deshalb führen wir eine elektrothermische Analyse von siebgedruckten kohlenstoffbasierten Lochtransportschicht-freien Perowskit-Dualzellen mit verschiedenen Breiten der Zellverbindung durch. Dazu verwendeten wir die FEM (FiniteElemente-Methode)-Software Laoss, die den Prozess der Hochskalierung von kleinflächigen zu grossflächigen Bauelementen unterstützt, indem sie die Potential- und Temperaturverteilung in 2D-Domänen der oberen und unteren Elektrode löst, die durch ein vertikales 1D-Kopplungsgesetz gekoppelt sind. In dieser Masterarbeit präsentierten wir elektrische und thermische DC- und AC-Simulationen von Dualzellen

und einer Referenzzelle ohne Zellverbindung und haben die Simulationsergebnisse mit Messungen verglichen. Die Software kann nicht nur elektrische und thermische Steady-State-Simulationen durchführen, sondern auch den Einfluss von nicht-idealen Elektroden im Frequenzbereich bestimmen. Daher führen wir auch die Small-Signal Dark-Lock-In-Thermographie(SS-DLIT)-Methode ein, um elektrothermische Effekte in Perowskit-Solarzellen im Dunkeln mit hoher Genauigkeit zu messen und zu simulieren, dank der Verwendung einer kleinen, periodischen Spannungsmodulation um eine ausgewählte Offsetspannung. Diese angepasste DLIT-Methode kann mit dem thermischen AC-Modul in Laoss simuliert werden und erlaubt die Untersuchung und Quantifizierung verschiedener Defekte, wie z. B. Shunts oder die Qualität der Zellverbindung von Perowskit-Solarmodulen. Abbildung 1 zeigt das Amplitudenbild einer SS-DLITSimulation einer Perowskit-Doppelzelle mit eingebauten Shunts im Bild auf der linken Seite. Auf dem rechten Bild ist zum Vergleich die SS-DLIT-Messung dargestellt.

Abbildung 1: Simuliertes SS-DLIT-Amplitudenbild einer Perowskit-Dualzelle, welches eine Temperaturerhöhung an den Shunts und der Zellverbindung zeigt. Rechts ist die SS-DLIT-Amplitudenmessung dargestellt, die auch zwei Hot Spots in der oberen Zelle zeigt, welche im Betrieb zu Verlusten führt.

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3.3

Institute of Computational Physics

Dynamik von Ladungstransferzuständen in organischen Halbleiterbauelementen: Kombination von Experiment und Simulation (CTDyn)

In diesem schweizerisch-deutschen Projekt werden die Ladungstransferzustände (CT-Exzitonen), die eine entscheidende Rolle für das Verständnis und die weitere Verbesserung der Effizienz von organischen elektronischen Bauelementen wie OLEDs und organischen Solarzellen spielen, untersucht. Unser Ansatz kombiniert optische und elektronische Messungen mit numerischen Simulationen, wobei im Projekt die zugrunde liegenden physikalischen Modelle und numerischen Methoden verbessert werden sollen. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

M. Regnat, S. Züfle, B. Ruhstaller Prof. W. Brütting, Universität Augsburg SNF / Deutsche Forschungsgemeinschaft 2020–2023

In diesem Projekt untersuchen wir die Dynamik von Exzitonen und das Zusammenspiel zwischen verschiedenen Exzitonenspezies sowie zwischen Exzitonen und Ladungsträgern, sowohl im Bulk einzelner Schichten (intra-molekular) als auch an Grenzflächen von mehrschichtigen organischen Halbleiterbauelementen (inter-molekular). Wir werden den etablierten 1D-Drift-Diffusions-Ansatz [1] erweitern und mit einem neuartigen 3D-Master-Gleichungsmodell [2] kombinieren sowie mit analytischen 0D-Formeln vergleichen. Abbildung 1 zeigt Exzitonen- und LadungstransferProzesse, die sowohl in organischen Leuchtdioden (OLEDs) als auch in organischen Solarzellen auftreten können.

2 % und 16 %. Aus dem Fit der Daten mit analytischen 0D-Formeln ergibt sich, dass der zugrundeliegende Exzitonen-Auslöschungsmechanismus für die Reduzierung der Lebensdauer der angeregten Zustände bei steigenden Stromdichten entweder TPQ oder TTA ist.

Abb. 2: Lebensdauer angeregter Zustände für steigende Stromdichten einer OLED mit einer Emitterkonzentration von 2 % (links) und 16 % (rechts). Der Fit an die experimentellen Daten zeigt deutlich, dass die Abnahme für steigende Ströme für den Fall mit 2 % von TPQ besser beschrieben wird, während für 16 % von TTA.

Mit der Kombination aus 3D-Mastergleichung und 1D-Drift-Diffusions-Ansatz sollte es möglich sein, ein elektro-optisches Modell aufzustellen, das beide Fälle mit einem Parametersatz nachbilden kann und uns damit erlaubt, die Exzitonenprozesse in dieser OLED besser zu verstehen. Am Ende sollte es möglich sein, die Emitterkonzentration für die höchste Effizienz und die geringste Reduktion für steigende Stromdichten vorherzusagen.

Abb. 1: Allgemeine Exzitonen- und Ladungstransferprozesse. FC bezeichnet die freien Träger, S1 das Singlett und T1 das TriplettExziton und S0 den Grundzustand.

In einem ersten Teil dieses Projekts verwenden wir fortschrittliche Simulationen, um den Einfluss verschiedener Exzitonen-Auslöschprozesse, wie Triplett-Polaron-Auslöschung (TPQ) und TriplettTriplett-Annihilation (TTA), auf die Effizienz einer OLED mit verschiedenen Emitterkonzentrationen besser zu verstehen. Abbildung 2 zeigt die Daten der Lebensdauer der angeregten Zustände τ* (direkt proportional zur Effizienz der OLED) eines grün phosphoreszierenden OLED-Aufbaus mit einer Emitterkonzentration von

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Quellen: [1] Simulation software Setfos, www.fluxim.com/setfos-intro (April 2021) [2] Zeder et al. „Coupled 3D Master Equation and 1D Drift-Diffusion Approach for Advanced OLED Modeling“. Journal of the Society for Information Display 28, Nr. 5 (2020): 440–49. https://doi.org/10.1002/jsid.903

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3.4

Institute of Computational Physics

Neue Tools für die Charakterisierung von Quanten-Punkt-Displays

Eine vielversprechende Technologie für den Einsatz in LCD-Bildschirmen sind sogenannte Quanten-Punkte (Quantum Dots). Mit Hilfe von Quanten-Punkten lässt sich die Hintergrundbeleuchtung verbessern, wodurch brillantere Farben entstehen und sich gleichzeitig der interne Aufbau vereinfacht. In diesem Projekt erweitern wir bestehende Simulationssoftware und entwickeln neue Messgeräte, um die Forschung und Entwicklung in diesem Bereich zu unterstützen. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

K. P. Pernstich, C. Kirsch, B. Ruhstaller Fluxim AG Innosuisse 2021–2024

In neueren LCD-Bildschirmen besteht die Hintergrundbeleuchtung nicht mehr aus einer Lichtquelle, die weisses Licht abgibt, z. B. einer weissen LED, sondern aus einer Kombination aus blauer LED und einem Quanten-Punkt-(QD)-Film. Der QD-Film nimmt das blaue Licht auf und gibt es in einer der anderen Grundfarben, also rot oder grün, wieder ab, womit sich eine brillantere Farbwiedergabe ergibt. Neben LCD-Bildschirmen haben sich auch organische Leuchtioden (OLEDs) als marktreife Technologie etabliert. Neben gewissen anderen Vorteilen bieten OLED-Bildschirme eine bessere Bildqualität als LCDs. Neueste Entwicklungen möchten nun die Vorteile beider Technologien nutzen und QD-Filme zusammen mit blauen OLEDs als neue Technologie einsetzen. Abbildung 2 illustriert diesen neuen Trend in der Display-Branche. Um von dieser neuen Technologie profitieren zu können, haben sich koreanische und Schweizer Partnerorganisationen in diesem internationalen InnosuisseProjekt zusammengeschlossen. Die schweizerische Partnerfirma Fluxim AG erweitert ihre Produkte im Bereich Messgeräte und Simulationssoftware. Die koreanische Partnerfirma entwickelt ein Verfahren, um die Quanten-Punkte zu verkapseln und so haltbarer zu machen. Am Institute of Computational Physics beteiligen wir uns an der Weiterentwicklung eines Modells, um die Lichtausbreitung im Raum auch in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung des

Lichts berechnen zu können und auch an der Entwicklung eines Messgeräts zur detaillierten Untersuchung der QD-Filme bzw. der QD-OLED-Filme. Die akademischen Partner in Korea beschäftigen sich mit der Herstellung und Optimierung von blauen OLEDs und mit einem Tintenstrahl-Druckverfahren, um die QD-Filme gezielt über einzelnen OLEDs anzubringen. Abbildung Abb. 2 zeigt den Aufbau eines solchen OLED Pixels mit QD-Schicht.

Abb. 2: Schematische Darstellung eines OLED-Pixels mit QD-Film.

Das Projekt hat erst vor Kurzem begonnen und erste QD-Filme sind bereits auf dem Weg in die Schweiz, um von uns charakterisiert zu werden.

Abb. 1: QD-Film in einem LCD-Bildschirm (oben) sowie in einem OLED-Bildschirm (unten). Quelle: Nanosys Inc.

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3.5

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Untersuchung des Ladungstransports in organischen Halbleitern mit elektrochemischen Methoden und theoretischen Modellen

Organische Halbleiter werden heutzutage in vielen verschiedenen technologischen Gebieten verwendet. Um hergestellte Produkte zu verbessern, müssen diese Materialien aber vollumfänglich verstanden werden. In unserem Projekt streben wir an, die organischen Halbleiter anhand elektrochemischer Messungen in Kombination mit Computersimulationen besser zu charakterisieren. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

G. Kissling, E. Knapp, K. P. Pernstich Fluxim AG SNF 2020–2022

Organische Halbleiter werden im Bildschirm- und Beleuchtungsbereich (OLED TVs und Lichtmodule) eingesetzt und kommen auch in neuartigen Transistoren, Sensoren, Computerspeicherelementen und Solarzellen zur Anwendung. Um die Anwendungen weiter zu optimieren, benötigt man ein besseres Verständnis der physikalischen Vorgänge und genauere Materialparameter. In diesem multidisziplinären Projekt untersuchen wir organische Halbleiter mittels elektrochemischer Methoden und theoretischer multiphysikalischer Modelle. Das Projekt vereint die Modellier-Expertise des ICP mit elektrochemischer Grundlagenforschung. Ziel des Projekts ist es, eine Methode zu entwickeln, welche es ermöglicht, einige Eigenschaften und Materialparameter organischer Halbleiter zuverlässig zu eruieren. Experimente werden es uns erlauben, einige Materialparameter der Halbleiter zu bestimmen, die enorm wichtig für eine detaillierte Modellierung sind und bisher gar nicht, oder nur sehr aufwendig, messbar waren. Gängige numerische Modelle können dann mit diesen Erkenntnissen verbessert werden.

elektrochemisch charakterisiert und auf ihre Stabilität und Halbleitereigenschaften (z. B. die Eigenschaften des Valenz- und Leitbandes und die Anwesenheit von Störstellen) geprüft. Abbildung 2a und b zeigen elektrochemische Messungen an NPB-Dünnschichten. Abbildung 2a zeigt eine typische Zyklische Voltammetriemessung. Das Signal um 0.8 V stammt vom Valenzband des organischen Halbleiters. Beim kleineren Signal um 0.1 V handelt es sich um die Umkehrreaktion. Abbildung 2b zeigt Impedanzspektren, welche an den in Abbildung 2a mit farbigen Symbolen markierten Potenzialen gemessen wurden. Sie helfen uns das elektrochemische Geschehen in der Halbleiterdünnschicht genauer zu verstehen.

Abb. 2: a: Zyklische Voltammetrie gemessen an einer NPB Dünnschicht. Die Impedanzspektren in b wurden für die in a durch Symbole gekennzeichneten Potenziale gemessen.

Die Grundlagenforschung, welche wir in unserem Projekt betreiben, könnte Impulse liefern, die dazu beitragen, die gängigen Methoden der organischen Halbleiterforschung zu verbessern, indem genauere Modelle für die Materialcharakterisierung entwickelt werden können.

Abb. 1: Cartoondarstellung eines NPB (N,N′-Di(1-naphthyl)-N,N′diphenyl-(1,1′-biphenyl)-4,4′-diamin) Moleküls, welches in der Herstellung von OLEDS verwendet wird.

In unserer Arbeit charakterisieren wir organische Halbleiter, bestehend aus Molekülen wie zum Beispiel NPB (N,N′-Di(1-naphthyl)-N,N′-diphenyl-(1,1′biphenyl)-4,4′-diamin), gezeigt in Abbildung 1, mittels elektrochemischer Messmethoden. Die Moleküle werden entweder in Lösung oder als Dünnschichten

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3.6

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Organische Terahertz-Photonik

Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines voll-organischen und lückenfreien Ansatzes zur Erzeugung und Detektion von Breitband-Terahertz (THz)-Wellen. Die Resultate werden von grossem Wert für eine Vielzahl von Anwendungen, die von grundlegenden Studien von THzWechselwirkungen zwischen Licht und Materie bis hin zu industrieller THz-Spektroskopie und Bildgebung reichen. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

U. Puc, M. Jazbinsek Ajou Universität, Südkorea BFE Bilaterale Programme 2020–2023

Terahertz-Quellen auf der Basis organischer elektrooptischer Kristalle haben in den letzten Jahren für die THz-Photonik zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dies liegt an ihren einzigartigen Möglichkeiten, extrem hohe elektrische THz-Felder zu erzeugen, die für die Untersuchung von Licht-Materie-Wechselwirkungen benötigt werden, sowie an ihrer ultra-breiten Abdeckung des gesamten THz-Bereichs von 0.1 THz bis über 20 THz, die benötigt wird, um bestimmte Grundmoden der Materie zu untersuchen und zu kontrollieren. Dies macht organische elektrooptische Kristalle einerseits essenziell für das aufkommende Feld der nichtlinearen THz-Photonik, andererseits bieten organische Kristalle eine einzigartige Möglichkeit, die THz-Spektroskopie und Bildgebungsanwendungen über die Bandgrenze der meisten derzeit verwendeten Quellen hinaus zu erweitern.[1] Allerdings besitzen diese Materialien selbst intrinsische Schwingungsmoden im THz-Bereich, was zu unerwünschten Modulationen bis hin zu kompletten Lücken im erzeugten THz-Spektrum führt. Diese Modulation stellt eine fundamentale Grenze für die THz-Photonik auf der Basis organischer elektrooptischer Kristalle dar, die wir in diesem Projekt überwinden wollen. In dieser interdisziplinären internationalen Projektkollaboration entwirft und synthetisiert die koreanische Seite (Universität Ajou) neuartige organische Molekularkristalle mit grosser makroskopischer optischer Nichtlinearität und kontrollierten Kristalleigenschaf-

ten. Die Schweizer Seite (ZHAW) evaluiert theoretisch und experimentell die optischen und THz-Eigenschaften dieser Kristalle und setzt sie für breitbandige THz-Anwendungen ein.

Abb. 1: In diesem Projekt werden organische elektrooptische Kristalle und ihre Kombinationen für die Erzeugung von UltrabreitbandTHz-Wellen verwendet. Abbildung: Ajou Universität [DOI: 10.1002/adfm.201707195].

Schliesslich werden wir unter Ausnutzung der Vorteile des neu entwickelten THz-Photonik-Ansatzes verschiedene neuartige organische Transportmaterialien untersuchen, die für eine Vielzahl von Anwendungen interessant sind, wie z.B. organische Solarzellen, organische Feldeffekttransistoren, organische Fotodetektoren und Gas-Sensoren. Literatur: [1] Jazbinsek, M.; Puc, U.; Abina, A.; Zidansek, A., 2019. Organic crystals for THz photonics. Applied Sciences. 9(5/882).

Abb. 2: THz-Zeitbereichssignal (a) und das entsprechende Leistungsspektrum (b) des THz-Aufbaus auf der Basis organischer Kristalle: Das Ziel dieses Projekts ist es, die Modulation des in (b) gesehenen Signals zu reduzieren, um eine flache spektrale Antwort über den gesamten Frequenzbereich zu erreichen.

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3.7

Institute of Computational Physics

Hardware-Software-Integration und Validierung eines kompakten Terahertz-Systems

Am ICP entwickeln wir ein neues kompaktes Instrument für die zerstörungsfreie Prüfung und Charakterisierung im Terahertz (THz)-Bereich. Das neue System wird für spektroskopische THzMessungen, THz-Bildgebung und THz-Dickenmessungen mit einem Ultrabreitband-Spektralbereich jenseits von 15 THz eingesetzt. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

U. Puc, V. Michel, M. Jazbinsek Rainbow Photonics AG Innosuisse, Masterarbeit 2019–2021

Die THz-Photonik ist ein schnell wachsendes Gebiet mit vielversprechenden Anwendungen in der zerstörungsfreien Prüfung, Bildgebung und Materialidentifizierung/Spektroskopie. Während der letzten zwei Jahrzehnte wurden viele verschiedene Ansätze zur Erzeugung von THz-Wellen sowohl für Forschung als auch für industrielle Anwendungen vorgeschlagen. Gegenwärtig zeichnen die meisten kommerziellen und Labor-THz-Spektroskopie-Systeme nur Spektren bis zu wenigen THz auf. Das experimentelle System, das am ICP in Zusammenarbeit mit der Firma Rainbow Photonics AG entwickelt wurde, kann jedoch Frequenzen bis zu 20 THz messen, da es von der Kombination aus organischen Kristallen (DSTMS) und einem kompakten Telekom-Femtosekundenlaser profitiert, die zur Erzeugung und Detektion eingesetzt werden. Die Ergebnisse zeigen eine ausgezeichnete Linearität sowohl bei der Erzeugung als auch der Detektion der THz-Felder, was eine Voraussetzung für eine zuverlässige Extraktion der Probenparameter ist, einschliesslich der Dicke und des komplexen Brechungsindex. Die gemessenen Frequenzen schmaler Wasserabsorptionslinien stimmen in hervorragender Weise mit den Literatur-Absorptionsspektren überein, so dass das DSTMS-basierte Spektrometer über die volle 20-THz-Bandbreite mit einer Genauigkeit von 2.7 GHz erfolgreich validiert werden konnte. [1] Dickenmessungen von Proben in Reflexionsgeometrie ermöglichen die Messung von Proben dünner als 50 µm mit einem relativen Fehler von 1 %. Gleichzeitige Brechungsindex- und Dickenmessungen an etwa 0.5 mm dicken Germanium-Wafern mit einer Genauigkeit von 0.1 % wurden in der Transmissionsgeometrie nachgewiesen. Die Leitfähigkeitsänderungen einer Germaniumprobe bei optischer Anregung werden beobachtet, da die THz-Transmissionsänderungen im niedrigen THz-Frequenzbereich um mehr als 50 % betragen.

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Abb. 1: Das entwickelte THz-Spektroskopiesystem basiert auf der Messung des elektrischen Feldes mit einer Auflösung im Sub-Pikosekundenbereich. Es wurden THz-Felder mit Frequenzkomponenten bis zu 20 THz erzeugt und detektiert. Dies ist durch die Integration und Optimierung von Photonik- und Elektronik-Komponenten und Datenerfassungssoftware möglich.

Diese Arbeit demonstriert die fortschrittlichen Fähigkeiten des kompakten THz-Spektroskopiesystems, das an der ZHAW aufgebaut wurde, mit möglichen weiteren Verbesserungen bei der Optimierung der Detektionselektronik, um das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems zu verbessern. Darüber hinaus wird die Weiterentwicklung von Algorithmen zur Datenextraktion eine bessere Genauigkeit bei der Extraktion von Dicken- und Materialparametern ermöglichen, was für verschiedene Forschungs- und Industrieanwendungen interessant ist. Literatur: [1] Puc, U.; Bach, T.; Günter, P.; Zgonik, M.; Jazbinsek, M., 2021. Ultra-Broadband and High-Dynamic-Range THz Time- Domain Spectroscopy System Based on Organic Crystal Emitter and Detector in Transmission and Reflection Geometry. Advanced Photonics Research 2, 2000098, DOI: 10.1002/adpr.202000098.

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Institute of Computational Physics

4 Sensorik und Messsysteme Unser Team von talentierten Ingenieuren und Wissenschaftlern der ZHAW wendet seit mehr als zehn Jahren etablierte und neue Messmethoden auf relevante medizinische und biologische Probleme an. Wir arbeiten mit Startups, internationalen Unternehmen sowie führenden akademischen Partnern zusammen und bringen unser Ingenieurwissen in Projekte ein, die den neuesten Stand der technischen Entwicklung erfordern. Wir kultivieren eine unternehmerische Denkweise, die über das akademische Publizieren hinausgeht, indem wir uns auf den Technologietransfer vom Labor zur Industrie konzentrieren. Zu unseren Finanzierungsquellen gehören die Schweizerische Agentur für Innovationsförderung (Innosuisse), die EU (Eurostars, Horizon 2020), der Schweizerische Nationalfonds (SNF) und verschiedene private Stiftungen sowie die direkte Finanzierung durch die Industrie. Unsere Kernkompetenz ist die Entwicklung neuer Sensoren und Messverfahren in der Biomedizintechnik. Insbesondere haben wir Erfahrung in der Hautwissenschaft und -technologie: künstliche Hautmodelle, Computersimulationen, Entwicklung neuer Sensoren usw. Wir profitieren von der hochmodernen Infrastruktur des Optoelektronischen Forschungslabors (OLAB), welches die Entwicklung anspruchsvoller Prototypen ermöglicht.

A. Bachmann

M. Bonmarin

D. Fehr

D. Kempf

M. Schmid

F. Spano

S. Weber

A. Witzig

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R. Hagen

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4.1

Institute of Computational Physics

Nachweis von Nanopartikeln in komplexen Umgebungen

Nanopartikel gibt es überall, von Medtech-Produkten bis hin zu Kosmetika oder Lebensmitteln. Deshalb ist es wichtig, Instrumente zu haben, um sie vor Ort zu überwachen. Die derzeitigen Methoden zum Nachweis und zur Charakterisierung von Nanopartikeln sind auf bestimmte Umgebungen (z. B. Flüssigkeiten) beschränkt oder erfordern eine aufwendige und teure Probenvorbereitung. Aus diesem Grund entwickeln wir in Zusammenarbeit mit dem Adolphe Merkle Institut der Universität Freiburg neue, auf Thermographie basierende Methoden zum Nachweis von auf Reize ansprechenden Nanopartikeln in komplexen Umgebungen. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

M. Bonmarin Adolphe Merkle Institut der Universität Fribourg Innosuisse, Stiftungen seit 2012

Nanopartikel sind winzige Partikel mit einer Grösse von 1 bis 100 nm (zum Vergleich: Die Dicke eines Blattes Papier beträgt etwa 100'000 nm). Nanopartikel werden heute in vielen Produkten wie Verbundwerkstoffen oder medizinischen Geräten, aber auch in Kosmetika oder Lebensmitteln verwendet. Der Einsatz von Nanopartikeln wird vor allem in Europa zunehmend reguliert. Deshalb ist es von besonderer Bedeutung, über akkurate Instrumente zu verfügen, um sie nachzuweisen. Für den Nachweis und die Charakterisierung von Nanopartikeln stehen mehrere Methoden zur Verfügung, die jedoch oft Einschränkungen in Bezug auf das Medium, in dem die Partikel untersucht werden können, oder die Vorbereitung der Probe und die damit verbundenen Kosten aufweisen. Viele Nanopartikel reagieren auf Stimuli, d. h. sie haben die Fähigkeit, Wärme zu erzeugen, wenn sie stimuliert werden (durch Licht oder ein wechselndes Magnetfeld). Die resultierende Infrarotstrahlung kann leicht mit einer Wärmekamera erfasst werden. Mit Hilfe dieses Prinzips haben wir zusammen mit dem Adolphe Merkle Institut in Fribourg eine neue Methode entwickelt, um Nanopartikel in komplexen Umgebungen wie Zellkulturen, Gewebe oder Kompositmaterialien mit sehr hoher Genauigkeit zu charakterisieren. Wir haben mehrere Instrumente für magnetische Nanopartikel wie SPIONs oder plasmonische Partikel wie Gold entwickelt. Die Technologie wurde geschützt (2 Patente) und das Startup-Unternehmen NanoLockin GmbH mit Sitz in Fribourg vermarktet die Forschungsergebnisse. Wir sind überzeugt, dass die Thermografie eine vielversprechende Methode ist zur Untersuchung von Nanopartikeln, die gut auf Stimuli reagieren. Wir untersuchen derzeit das weitere Potenzial dieser Technik für viele Anwendungen im Bereich der Nanowissenschaften

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Abb. 1: Bild des Calorsito VIS-NIR Gerätes, das von der Firma NanoLockin GmbH entwickelt wurde. Die Firma ist eine Spin-off des Adolphe Merkle Instituts und des Institute of Computational Physics der ZHAW.

Referenzen: [1] Journal of Physical Chemistry C, 124(2):1575-1584 (2020) [2] Particle & Particle Systems Characterization Journal, 36:1900224 (2019). [3] Journal of Physical Chemistry C, 121(48):27164-27175 (2017). [4] Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 427:206-2011 (2017). [5] Nanoscale Journal, 8(27):13321-13332 (2016). [6] www.nanolockin.com

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4.2

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Tragbares Gerät zur Frühdiagnose von Lymphödemen

Mitwirkende: Finanzierung: Dauer:

D. Fehr, A. Bachmann, M. Bonmarin Innosuisse 2018–2020

Die Wahrscheinlichkeit, bis ans Lebensende ein Lymphödem zu entwickeln, liegt nach einer Brustkrebsbehandlung bei ca. 30 % – und das ist nur einer der möglichen Risikofaktoren. Millionen von Menschen müssen daher mit einem erhöhten Risiko rechnen, an einem Lymphödem zu erkranken. Bei dieser Krankheit ist die Funktion des Lymphsystems dauerhaft gestört, wodurch z. B. die Arme irreversibel anschwellen, wenn nicht rechtzeitig eine geeignete Behandlung eingeleitet wird. Diese verlangsamt die Schwellung oder stoppt sie sogar komplett. Eine frühe Diagnose der Krankheit ist somit zentral. Dennoch gibt es zurzeit keine standardisierte, breit verfügbare Methode, die bei Menschen mit erhöhtem Risiko ein regelmässiges und zuverlässiges Monitoring erlaubt.

zeit wird sie in Zusammenarbeit mit dem Universitätsspital Zürich in auch in einer klinischen Studie untersucht. Zudem wurde das Messgerät überarbeitet und als tragbarer Sensor realisiert, d. h. das bisherige Handgerät konnte auf die Grösse einer Sportarmbanduhr verkleinert werden. Dazu wurde die Optik von Grund auf neu entwickelt, weil die bestehende prinzipbedingt nicht weiter verkleinert werden kann. Erste Versuche sind vielversprechend. Bei vergleichbarer Empfindlichkeit konnte die Optik beträchtlich verkleinert werden. Parallel wurde eine passende Smartphone-App als Bedieninterface und zur Anzeige der aufgezeichneten Messungen implementiert.

Abb. 1: Links: Autarkes Handgerät mit Batterie. Oben rechts: Display. Mitte: Messöffnung. Unten rechts: Gemessener Wert versus tatsächlicher Marker-Konzentration.

In dieser Arbeit wird zusammen mit dem Institut für Pharmazeutische Wissenschaften der ETH Zürich eine geeignete Methode zur Frühdiagnose von Lymphödemen entwickelt. Sie besteht aus einem fluoreszierenden Marker, der in die Haut des Patienten injiziert wird, und aus einem für medizinische Verhältnisse einfachen Messgerät, welches die Abbaurate des Markers mittels der Fluoreszenzintensität bestimmen kann. Bei einer reduzierten Abbaurate besteht der Verdacht auf ein sich entwickelndes Lymphödem. Im Idealfall werden die Patienten mit dieser Methode ihr Lymphsystem selbständig und regelmässig überwachen können und im Verdachtsfall frühzeitig einen Spezialisten aufsuchen können. In verschiedenen Vorprojekten wurde ein geeigneter fluoreszierender Marker und ein erstes portables Messgerät mit optischer Sensorik zur Quantifizierung des Fluoreszenzsignals entwickelt. Dazu wurde die bestehende Optik (Abb. 2) um eine autarke Steuerelektronik und Bedienelemente ergänzt und in einem kompakten Gehäuse verbaut (Abb. 1). Mit diesem Handgerät konnte die Methode bereits in verschiedenen präklinischen Versuchen validiert werden. Der-

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Abb. 2: Optische und elektronische Komponenten des Handgeräts.

Literatur: [1] A. Polomska et al., Minimally invasive method for the point-ofcare quantification of lymphatic vessel function, JCI Insight, 4(4), 2019.

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4.3

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Design und Entwicklung von künstlichen Hautmodellen für taktile Sensoranwendungen

Mitwirkende: Dauer:

F. Spano, D. Fehr, M. Bonmarin, J. Blunschi, R. Sassenburg 2019–2021

Trotz der bevorstehenden Einführung von vollständig zellbasierten Hautmodellen ist die Entwicklung der künstlichen Hautmodelle immer noch im Gange und relevant. Die zellbasierten Hautmodelle sind noch weit davon entfernt, die Eigenschaften der menschlichen Haut zu reproduzieren und die Bedürfnisse der Anwender abzudecken. Insbesondere besteht nach wie vor ein Bedarf an reproduzierbaren und stabilen künstlichen Hautmodellen, die verschiedene Eigenschaften der menschlichen Haut nachahmen. Darüber hinaus, und glücklicherweise, werden Tierversuche aufgrund neuer Vorschriften und ethischer Probleme nicht mehr toleriert. Daher werden künstliche Hautmodelle entworfen und entwickelt, die verschiedene Aspekte der menschlichen Haut emulieren können, wie z. B. die mechanischen, thermischen, transpirativen und taktilen Eigenschaften der menschlichen Haut [1–2].

wählt. Hinsichtlich der Herstellungsprozesse verwenden wir klassische Ablagerungstechniken wie z. B. Drop-Casting und Bar-Coating. Darüber hinaus implementieren wir neue Technologien wie z. B. das 3D-Bioprinting.

Abb. 2: Illustrationen der taktilen Fähigkeiten des künstlichen Hautmodells, das die reale menschliche Textur und die mechanischen Eigenschaften sowie die Farbveränderung in Abhängigkeit von der angewandten Kraft und der kapazitiven Mehrpunkt-Sensorik implementiert.

Im Rahmen einer Bachelorarbeit konzentrierten wir uns auf Design und Herstellung einer künstlichen taktilen Haut. Das Hautmodell kombiniert die mechanischen Eigenschaften und die Textur der menschlichen Haut mit einem kapazitiven Sensor und einer LED-Matrix (Abb. 1), wodurch es die Berührungspunkte und die angewandten Kräfte durch einfache Farbwechsel visualisieren kann (Abb. 2). Die mechanischen Eigenschaften wurden durch schichtweises Erzeugen eines mehrschichtigen Materials aus verschiedenen, silikonbasierten Polymeren (Dragonskin FX Pro und Ecoflex) erzielt. Darüber hinaus wurde eine Nachbildung einer echten menschlichen Handfläche realisiert, die die Handtextur genau reproduziert und das Gefühl erhöht, mit einer menschlichen Hand zu interagieren. Unabhängig davon wurde ein flexibler kapazitiver Sensor entworfen und hergestellt, indem eine Matrix aus Drähten in die Polymerschicht eingebettet wurde. Im nächsten Schritt wurde eine LED-Matrix mit der kapazitiven Sensor-Matrix verbunden und programmiert. Die taktile Haut ist in der Lage, auf Mehrpunktberührungen zu reagieren und die Variation des ausgeübten Drucks durch Farbwechsel anzuzeigen. Solche Hautmodelle können z. B. als Schnittstelle für von Menschen umgebene Roboter oder für interaktive Geräte zur Kommunikation in intelligenten Städten ins Auge gefasst werden. Literatur:

Abb. 1: Illustrationen der verschiedenen Herstellungsphasen: Materialentwicklung und Handflächen-Nachbildung; Mehrschichtiges Hautmodell mit der kapazitiv-sensorischen Matrix und der LED-Matrix, gesteuert durch die Versuchs-Elektronik.

Die künstlichen Hautmodelle bestehen im Allgemeinen aus einer mehrschichtigen Kombination von Materialien, um die reale menschliche Haut und ihre verschiedenen Schichten (Stratum corneum, Epidermis, Dermis und Subdermis) nachzuahmen. Die zur Imitierung der physikalischen Eigenschaften der menschlichen Haut benutzten Materialen sind vielfältig [3]. Oft werden Materialien auf Silikonbasis verwendet, wie z. B. Polydimethylsiloxan (PDMS) oder gelatinöse Materialien [4]. Sie werden in Abhängigkeit von den zu simulierenden Eigenschaften ausge-

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[1] M. Guan et al., Development of a sweating thermal skin simulant for heat transfer evaluation of clothed human body under radiant heat hazard, Applied Thermal Engineering 166, 114642 (2020). [2] L. Zhai et al., Development of a multi-layered skin simulant for burn injury evaluation of protective fabrics exposed to radiant heat, Fire and Materials 43 (2), 144-152 (2019). [3] A. K. Dabrowska et al., Materials used to simulate physical properties of the human skin, Skin Research and Technology 2016; 22: 3-14.

[4] A. Dabrowska et al., A water-responsive, gelatine-based human skin model, Tribology International 113 (2017) 316-322

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4.4

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Messtechnik für dezentrale Energiesysteme

Das Thermolabor des ICP wurde in den letzten Jahren kontinuierlich ausgebaut und bietet inzwischen umfassende Analysemöglichkeiten für gebäudetechnische Energiesysteme. Eine Spezialität ist dabei, dass die Messtechnik in der Regel durch Simulationen unterstützt wird. Ausserdem lohnt es sich in vielen Fällen, die Daten systematisch in einer Cloud-Anwendung abzulegen – man spricht dabei oft vom digitalen Zwilling. Dieser kann zur weiteren Bearbeitung der Daten nützlich sein und beispielsweise den Fernzugriff für Wartungsarbeiten oder die Anwendung digital unterstützter Analysemethoden ermöglichen. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

A. Witzig, T. Hocker, D. Kempf, S. Ehrat Naef Energietechnik AG, Mivune AG, GreenTEG AG Innosuisse 2020–2022

Im ICP-Thermolabor werden neben den verschiedensten Arten von Temperatursensoren auch die entsprechenden Systeme zur Messung von Wärmefluss in Rohrleitungen oder Wärmetransport in Mauern und Fenstern abgedeckt. Zudem wurden umfassende Untersuchungsmöglichkeiten zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts in der Luft und in Baustoffen aufgebaut. Während früher vor allem industrielle Anwendungen bedient wurden, sind nun auch gebäudetechnische Energiesysteme in den Fokus gerückt. In enger Zusammenarbeit mit Praktikern werden aktuelle Fragestellungen für die Optimierung von Regelstrategien, die Entwicklung und Verbesserung von Produkten vorangetrieben oder in konkreten Bauprojekten Analysen durchgeführt. Die Messungen mit moderner Sensorik sind naturgemäss eine Hardwareanwendung. Im Zusammenhang mit dem digitalen Zwilling ist für eine nützliche Anwendung die Anbindung an das Internet und eine geeignete Datenverarbeitung eine weitere Voraussetzung. Letztlich – und dies ist eine Spezialität des ICPThermolabors – wird ein direkter Bezug geschaffen zur Simulation von physikalischen Vorgängen. Meist müssen in den untersuchten Vorgängen nämlich mehrere gekoppelte physikalische Effekte verstanden und in der Messanordnung berücksichtigt werden. So ist beispielsweise der Wärmedurchgangskoeffizient (im Bauwesen oft 𝑈-Wert genannt) von der Feuchtigkeit der Baustoffe abhängig. Neben dem Wärmetransport und der Wärmespeicherfähigkeit der Wände interessiert in einer detaillierten Untersuchung folglich auch der Wassergehalt und der Feuchtigkeitstransport. Oft stehen auch die Systemgrenzen zur Disposition: Meist müsste die unmittelbare Umgebung der Sensorik in die Analyse einbezogen werden, was in vielen Praxisanwendungen vernachlässigt wird. Auch der zeitliche Verlauf spielt eine Rolle: Welche Auswirkung hat es, wenn während einer 𝑈-Wert-Messung die Sonne auf die Aussenwand scheint? Wie kann die Betonkonstruktion eines Gebäudes zur Optimierung der Behaglichkeit und Reduktion des Primärenergieverbrauchs genutzt

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werden? Wie kann eine Bodenheizung zur Regeneration von Erdwärmesonden beitragen? Die Kombination zwischen Messtechnik und PhysikSimulation erfordert oft eine Modellreduktion auf Seiten der numerischen Analyse. Somit können Datenmenge und Komplexität des Messsystems reduziert werden. Abb. 1: Messsystem zur Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten (𝑈-Wert). Die Installation wurde zu Testzwecken am Gebäude TK auf dem Campus der School of Engineering der ZHAW durchgeführt. In der Abbildung wird ein Temperaturmessung an der Aussenwand dargestellt. Wichtig ist dabei, dass Wand-Oberflächentemperatur und Lufttemperatur separat erfasst werden.

Abb. 2: An der Innenseite der Wand werden in der beheizten Zone des Gebäudes ebenfalls Wand-Oberflächentemperatur und Lufttemperatur gemessen. Zusätzlich werden noch der Wärmefluss und die Luftfeuchtigkeit erfasst. Die Daten werden kabellos via Basisstation an einen Server übermittelt.

Abb. 3: Der Ultraschall-Durchflussmesser ermittelt die Fliessgeschwindigkeit von Heizungswasser in einer Rohrleitung, ohne dass diese dazu aufgetrennt werden muss. Zusammen mit zwei Temperaturmesspunkten kann man dann den in den Leitungen transportierten Wärmestrom bestimmen.

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Künstliche-Intelligenz (KI) Wärmepumpen-Regler

Viele Gebäude werden inzwischen mit Wärmepumpen geheizt, oft in Kombination mit einer Erdwärmesonde. Die Wärmepumpe entzieht dabei dem Erdreich Wärmeenergie auf einem tiefen Temperaturniveau, um damit auch im Winter eine angenehme Raumtemperatur zu gewährleisten. Noch wichtiger als bei fossilen Heizungen ist dabei die Auslegung der Heizung sowie die korrekte Inbetriebnahme. Diese Arbeit verfolgt das Ziel, anhand von Simulationen ein neuronales Netz so zu trainieren, dass bei der Inbetriebnahme keine Parametereinstellungen im Regler der Wärmepumpe mehr angepasst werden müssen. Der KI-Wärmepumpen-Regler hat in der Trainingsphase viele verschiedene Szenarien mit unterschiedlichen Gebäuden, variablem Wetter und stochastischem Benutzerverhalten kennengelernt. In der Folge wird die Wärmepumpe energieoptimiert betrieben, ohne dass beim Installieren das Gebäude bekannt sein muss. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:

L. Joos, S. Pfyffer, A. Witzig, D. Kempf, V. Ziebart (IAMP), N. Schmid (IAMP) Institut für Angewandte Mathematik und Physik (IAMP) Innosuisse / Bachelorarbeit 2020–2021

In der Energiestrategie 2050 wird fürs Heizen die Nutzung von Umgebungswärme eine wichtige Rolle spielen. Die dafür verwendeten Wärmepumpen sollten mit einem möglichst hohen Anteil erneuerbarem Strom aus Wasserkraft, Windparks und Photovoltaikanlagen betrieben werden. Die entsprechenden Steuereinheiten sollen Energie und Kosten optimieren und jederzeit die Behaglichkeit in den Innenräumen garantieren. Dazu nutzen sie auch die Speichermassen der Gebäude und reagieren auf Wetterverhältnisse und Veränderungen im Benutzerverhalten. In traditionellen Reglern müssen einige Parameter, wie beispielsweise die Heizkurve des Gebäudes oder die Grösse einer lokal verfügbaren Photovoltaikanlage, korrekt eingestellt werden. Dies geschieht bei der Inbetriebnahme der Wärmepumpe oder bei einer späteren Überprüfung durch einen Servicetechniker. Im Rahmen von mehreren Studentenarbeiten wurde ein KI-Wärmepumpen-Regler entwickelt, der aufgrund eines Trainings mit Simulationsdaten die Systemkomponenten optimal ansteuern. Das Ziel der Forschungsarbeit ist es, dass ein KI-Wärmepumpenregler im Vergleich zu traditionellen Reglern eine gleich gute Performance (Kosten- bzw. Energie-Optimierung) erreicht, dies jedoch bei deutlich weniger Aufwand beim Installieren bzw. bei der Inbetriebnahme. Damit der KI-Wärmepumpen-Regler eine Anlagenhydraulik laufend in den optimalen Betriebspunkt führt, wird er vor der Auslieferung mit einem dynamischen System trainiert. In mehreren Studierendenarbeiten wurde für die Trainingsphase die Simulationssoftware Polysun und die «OpenAI Gym»-Plattform eingesetzt. Wie in der nebenstehenden Abbildung dargestellt, wird [1] ein neuronales Netz bestehend aus zwei Schichten mit jeweils 16 Neuronen verwendet. Mit bestärkendem Lernen (engl. reinforcement learning)

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werden anhand von einer grossen Anzahl Simulationen die entsprechenden Koeffizienten des neuronalen Netzwerks optimiert. Dabei wird eine Kostenfunktion definiert, welche einen unsorgfältigen Umgang mit Energie sowie das Unterschreiten der Solltemperatur im Gebäude bestraft.

Abbildung: Neuronales Netzwerk aus [1]. Dabei sind die Inputdaten (Sensorsignale) mit gelben Kreisen symbolisiert und die Outputdaten (Signale an die Aktoren) mit orangen Kreisen.

Referenzen: [1] Laurenz Joos, Selina Pfyffer, Reinforcement Learning für Wärmepumpensysteme mit PV, Betreuer: A. Witzig, V. Ziebart, Bachelorarbeit in Energie- & Umwelttechnik.

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5 Computergestützte Physik und künstliche Intelligenz Die Algorithmen und Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) werden auf zahlreichen Gebieten bereits mit grossem Erfolg kommerziell eingesetzt. Einige dieser neuen Anwendungen betreffen unseren Alltag und unsere Daten werden tagtäglich von Grosskonzernen genutzt. Während über die Verwendung von persönlichen Daten als Trainingsgrundlage ein gesellschaftlicher und ethischer Diskurs geführt werden muss, stellen die KI-Algorithmen aus technisch-wissenschaftlicher Sicht ein interessantes Forschungsgebiet dar, das aktuell einen ausgeprägten Innovationsschub erfährt und selbst wiederum viele Neuerungen ermöglicht. Am ICP interessieren uns die Anwendungen, in denen computergestützte Physik und künstliche Intelligenz kombiniert werden. Konkret geht es dabei um maschinelles Lernen (ML) und dessen Kombination mit der Numerik. Unsere Kernkompetenz liegt weiterhin in den physikalischen Modellen, die Phänomene aus Natur und Technik in der Regel durch Differentialgleichungen beschreiben und die von physikalischen Gesetzen abgeleitet sind. Es ist eine grosse Chance, zum jetzigen Zeitpunkt dieses Wissen mit dem aufstrebenden Feld des maschinellen Lernens zu kombinieren. Wir strukturieren im Folgenden die möglichen Einsatzgebiete, und zeigen auf, welche Beiträge wir leisten können.

Physikalische Simulation zur Generierung von synthetischen Daten Es werden physikalische Simulationen eingesetzt, um für die ML-Algorithmen die nötigen Trainingsdaten für die Lernphase bereitzustellen. Dabei kommen klassische numerische Methoden zum Einsatz und die Herausforderung besteht darin, die richtigen Fragestellungen zu finden und die Ergebnisse in nützlichen Anwendungen konkret umzusetzen. Oft möchte man dabei neuronale Netze, die mit simulierten Daten trainiert wurden, auf ungesehene reale Daten anwenden. Aktuell gibt es dazu am ICP zwei Projekte. Sie werden auf Seite 29 und 41 im vorliegenden Forschungsbericht im Detail dargestellt. Kurz zusammengefasst: Unterstützung der Analyse von Solarzellen mit neuronalem Netzwerk: Dazu wird ein neuronales Netz mit simulierten Bilddaten trainiert. Die Simulationen basieren auf einem multiphysikalischen Finite-Element-Modell, das für den Trainingsschritt tausendfach evaluiert wurde. Optimale Steuerung einer Wärmepumpe: Mit einer Simulation von mehreren hundert Betriebsjahren wird ein neuronales Netz in einer Wärmepumpensteuerung so trainiert, dass es sparsam mit dem Strom umgeht, die stochastischen Fluktuationen des Wetters ideal ausgleicht und jederzeit für ein angenehmes Raumklima sorgt. Unsere Kompetenzen im Umgang mit Industrieprojekten und unser unternehmerisches Denken erlauben es uns, hier Brücken zu bauen und das maschinelle Lernen den Unternehmen zugänglich zu machen, die sie bis jetzt noch nicht einsetzen.

Physikalisch informierte neuronale Netze Ein Verschmelzen der Disziplinen der Physik-Simulation und des maschinellen Lernens besteht darin, die physikalischen Gesetze in die ML-Algorithmen zu integrieren, entweder als Nebenbedingungen oder beispielsweise auch in die Struktur der eingesetzten neuronalen Netzwerke. Dabei entsteht ein riesiges neues Forschungsgebiet und derzeit werden mehr offene Fragen erkannt als Antworten generiert [1]. Man entfernt sich dabei von der Prämisse, dass datengesteuerte Modelle mit einem minimalen Vorwissen und einer grossen Menge an Trainingsdaten gefunden werden sollen. Es wird vielmehr versucht, das über Jahrhunderte erworbene Domänenwissen in die Algorithmen zu integrieren. Die Kombination

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führt zu erklärbaren datengesteuerten Modellen, die auf weniger Daten als das klassische maschinelle Lernen angewiesen sind.

Wissenschaftliches maschinelles Lernen Ziel des wissenschaftlichen maschinellen Lernens ist, durch die Nutzung der strukturierten wissenschaftlichen (Differentialgleichungs-)Modelle zusammen mit den unstrukturierten datengetriebenen Modellen des maschinellen Lernens Simulationen zu beschleunigen, die Wissenschaft wahren Systemen besser anzunähern, und dies alles bei gleichzeitiger Robustheit und Erklärbarkeit der mechanistischen dynamischen Modelle. Ein holistischer Ansatz fokussiert sich beim Formulieren der konkreten Fragestellung ganz auf die Anwendung und lässt am Anfang die Wahl der Methode offen. Dabei stehen altbekannte Optimierungsmethoden wie die Ausgleisrechnung als Option bereit wie auch das Lernen mit synthetischen Trainingsdaten oder datengesteuerte Modelle, die nahe an den Differentialgleichungen der Physik sind und Methoden für inverse Probleme und automatische Modellfindung. Erste Anwendungen kommen aus den Bereichen nachhaltige Energieproduktion, Sensorik, Unterhaltungselektronik und Medizintechnik. Dabei werden konkrete Optimierungsschritte mit maschinellem Lernen unterstützt. Die angewandte Forschung und Entwicklung wird damit insbesondere auch in den Bereichen beschleunigt, in denen rein physikalisch basierte Modelle an ihre Grenzen der praktischen Anwendbarkeit stoßen. Die besondere Herausforderung des wissenschaftlichen maschinellen Lernens ist die Frage, wie das Wissen aus der physikalischen Modellierung effizient und effektiv in das maschinelle Lernkonzept integriert werden kann. Evelyne Knapp und Andreas Witzig

Referenzen: M. Raissi et. al., Physics-informed neural networks: A deep learning framework for solving forward and inverse problems involving nonlinear partial differential equations, Journal of Computational Physics, Vol. 378, Pages 686707, Feb 2019. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021999118307125

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Anhang A.1 Studierendenprojekte S. AEBERSOLD, W. WONG, Bildverarbeitung von Fluidbewegungen im Pharmabereich mittels KI, Betreuer: B. Boiger, M. Hostettler, D. Brunner, Projektpartner: F. Hoffmann-La Roche AG, Bachelorarbeit in Informatik. B. BASSO, Inline-Gewichtsbestimmung von Tabletten mittels Mikrowellensensor, Betreuer: D. Fehr, M. Bonmarin, F. Spano, Projektpartner: Krämer AG, Bachelorarbeit in Maschinentechnik. B. BÖSCH, Development of an Optical Electronic Skin for Pressure Sensing Applications, Betreuer: F. Spano, D. Fehr, M. Bonmarin, Projektpartner: EMPA Sankt Gallen, Bachelorarbeit in Energie- und Umwelttechnik. S. BREITER, J. G. WENGER, Entwicklung einer Softwarekomponente zur automatischen Erkennung rassistischer oder beleidigender Userkommentare, Betreuer: M. Roos, P. von Däniken, Projektpartner: we.publish, Bachelorarbeit in Informatik. R. BRUNNER, S. KELLER, Entwicklung einer Inline-Viskositäts-Regelung, Betreuer: M. Bonmarin, F. Spano, D. Fehr, Projektarbeit in Energietechnik. J. BÜRGIN, Repair Process Turbine Rear Frame, Betreuer: S. Koll (ZHAW-ZPP), T. Hocker, Projektpartner: SR Technics Switzerland AG, Bachelorarbeit Maschinentechnik. M. CAPRAK, R. FÜEG, Entwicklung eines mechatronischen Systems zur Positionierung und Trennung von Permanentmagneten, Betreuer: G. Boiger, V. Lienhard, V. Buff, Bachelorarbeit in Maschinentechnik. E. COMI, Experimental Validation of an Electrothermal Small-Signal Model for Large-Area Perovskite Solar Cells, Betreuerin: E. Knapp, Projektpartner: Fluxim AG, Masterarbeit Masterstudiengang. D. DUDLI, N. SCHELLENBERG, Design und Simulation einer Wasserentkeimungsanlage mit UV-LEDs, Betreuer: K. Pernstich, V. Lienhard, Bachelorarbeit in Energie- und Umwelttechnik. L. EGLI, G. VINZI, Automatisierte Bildverarbeitung von Fluidbewegungen im Pharmabereich, Betreuer: G. Boiger, M. Hostettler, D. Brunner, Projektpartner: F. Hoffmann-La Roche AG, Bachelorarbeit in Systemtechnik. I. ERNI, O. LENGWEILER, IR-Schweissen, Betreuer: T. Hocker, W. Siegl (ZHAW-IEFE), Projektpartner: Georg Fischer Piping Systems, Bachelorarbeit Maschinentechnik. L. GEERTSEN, F. TOUZIMSKY, Innovative Tactile skin: Improvement of an Electronic Skin with Touch Sensitivity, Betreuer: F. Spano, D. Fehr, M. Bonmarin, Projektpartner: intern, Bachelorarbeit in Elektrotechnik. A. HABLÜTZEL, Entwicklung einer Kühlvorrichtung für automatisiertes WIG-Schweissen von metallischen Rohrverbindungen, Betreuer: T. Hocker, S. Koll (ZHAW-ZPP), Projektpartner: Wolfram Industrie GmbH, Vertiefungsarbeit Masterstudiengang. S. JACCARD, Simulation of the Joining Process for Resistance Welding of Tungsten Carbide with Steel , Betreuer: P. Marmet, T. Hocker, Projektpartner: Scintilla AG (Bosch Schweiz), Vertiefungsarbeit Masterstudiengang. L. JOOS, S. PFYFFER, Reinforcement Learning für Wärmepumpensysteme mit PV, Betreuer: A. Witzig, V. Ziebart, Bachelorarbeit in Energie- & Umwelttechnik. N. JENAL, Modell-basierte Optimierung eines neuen Infrarot-Heizungskonzepts zum kontaktlosen Schweissen von Kunststoffrohren, Betreuer: C. Brändli (ZHAW-IMPE), T. Hocker, Projektpartner: Georg Fischer Piping Systems, Masterarbeit Masterstudiengang.

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S. KELLER, Viscosity-Control Demonstrator, Betreuer: D. Fehr, M. Bonmarin, F. Spano, Projektpartner: Rheonics GmbH, Bachelorarbeit in Elektrotechnik. J. KRAUSE, P. RAMA, Optimierung einer kontaktlosen Infrarot-Heizmethode für das Schweissen von PVC-Rohren, Betreuer: T. Hocker, Projektpartner: Georg Fischer Piping Systems, Bachelorarbeit in Maschinentechnik. D. LEUENBERGER, Gamification der Übungen mit der e-Exercises App, Betreuer: K. Pernstich, W. Eich, Projektpartner: intern, Bachelorarbeit in Informatik. F. LEUPPI, N. STALDER, Energiesimulation im BIM-Kontext, Betreuer: A. Witzig, Projektpartner: Abstract AG, Bachelorarbeit in Energie- und Umwelttechnik. C. MALNATI, Simulating the Electrical Properties of the Human Skin for the Development of Hydration Sensors, Betreuer: D. Fehr, M. Bonmarin, Projektpartner: intern, Masterarbeit Masterstudiengang. C. REINHART, P. SIEGRIST, Entwicklung Implementierung eines Holzgasanalysesystems, Betreuer: G. Boiger, V. Buff, Projektpartner: intern, Bachelorarbeit in Systemtechnik. C. RUPPERT, Calcium Imaging Signal Exaction Using Deep Neuronal Networks, Betreuer: M. Bonmarin, Projektpartner: B: Grewe UZH/ETH, Vertiefungsarbeit Masterstudiengang. J. STOLL, Entwicklung und Implementierung eines Heissluftballonmodells in Berkeley Madonna und erste Vergleiche mit Messdaten, Betreuer: T. Hocker, Projektpartner: Air Ballonteam Stefan Zeberli GmbH, Vertiefungsarbeit Masterstudiengang. V. VESCOLI, Thermal Imaging of Sweat Glands, Betreuer: M. Bonmarin, F. Spano, D. Fehr, Projektarbeit in Systemtechnik. V. VESCOLI, Investigating Sweat Glands Activity with Thermal Imaging, Betreuer: M. Bonmarin, D. Fehr, F. Spano, Projektpartner: UC Cincinnati, Bachelorarbeit in Systemtechnik. L. VISSER, Entwicklung und Implementierung eines Kalibrations.- und Prüfverfahrens für Gasanalysesensoren, Betreuer: G. Boiger, V. Buff, Projektpartner: intern, Bachelorarbeit in Energie- und Umwelttechnik. D. WYSS, Mathematical models and numerical simulation of solid-liquid separation in decanter centrifuges, Betreuer: C. Kirsch, T. Hocker, Projektpartner: T. Hühn (ZHAW-ILGI), Masterarbeit Masterstudiengang.

A.2 Wissenschaftliche Publikationen U. AEBERHARD, M. NEUKOM, A. SCHILLER, S. ZÜFLE, S. JENATSCH, B. BLÜLLE, S. ALTAZIN, L. STEPANOVA, E. KNAPP, C. KIRSCH, B. RUHSTALLER, Computational device optimization and parameter extraction for perovskite-based solar cells. Proc. SPIE 11275, Physics, Simulation, and Photonic Engineering of Photovoltaic Devices, IX, 2020; 112750B. DOI: 10.1117/12.2545507. Z. ANDLEEB, S. MALIK, G. HUSSAIN, H. KHAWAJA, J. ROEMER, G. K. BOIGER; M. MOATAMEDI, Multiphysics study of infrared thermography (IRT) applications, Int. Journal of Multiphysics, 14(3), pp. 249-272, 2020, DOI: 10.21152/1750-9548.14.3.249. Z. ANDLEEB, C. STRAND, S. MALIK, G. HUSSEIN, H. KHAWAJA; G. BOIGER, M. MOATAMEDI, Multiphysics Analysis of CFRP Charpy Tests by varying Temperatures, Int.Journal of Multiphysics. 14(2), pp. 143160, 2020. DOI: 10.21152/1750-9548.14.2.143. S. BABITY, A. K. POLOMSKA, F. COUTURE, M. BONMARIN, D. FEHR, M. DETMAR, D. BRAMBILLA, Rational design of a fluorescent microneedle tattoo for minimally invasive monitoring of lymphatic function, Journal of Controlled Release, 327, pp. 350-359, 2020, DOI: 10.1016/j.jconrel.2020.08.017.

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G. K. BOIGER, V. BUFF, D. SHARMAN, M. BOLDRINI, V. LIENHARD, D. DREW, Simulation-based investigation of tar formation in after-treatment systems for biomass gasification, Biomass Conversion and Biorefinery, 11(1), pp. 39-56, 2020, DOI: 10.1007/s13399-020-00915-7. G. BOIGER, M. BOLDRINI, V. LIENHARD, B. SIYAHHAN, H. KHAWAJA, M. MOATAMEDI, Multiphysics EulerianLagrangian Electrostatic Particle Spray- And Deposition Model for OpenFoam® and KaleidoSim® Cloud-Platform, Int.Journal of Multiphysics, 2020, 14(1), pp. 1-15, 2019. DOI: 10.21152/17509548.14.1.1 D. BRUNNER, J. GOODBREAD, K. HÄUSLER, S. KUMAR, G. K. BOIGER, H. A. KHAWAJA, Analysis of a tubular torsionally resonating viscosity–density sensor, Sensors, 20(11), pp. 3036, 2020. DOI: 10.21256/zhaw20176. T. O. BUCHMANN, E. J. R. KELLEHER, K. J. KALTENECKER, B. B. ZHOU, S. H. LEE, O. P. KWON, M. JAZBINSEK, F. ROTERMUND, P. U. JEPSEN, MHz-repetition-rate, sub-mW, multi-octave THz wave generation in HMQ-TMS, Opt. Express 28, 9631, 2020. T. O. BUCHMANN, K. RAILTON, J. EDMUND; M. JAZBINSEK, B. ZHOU, J.-H. SEOK, O.-P. KWON, F. ROTERMUND, P. JEPSEN, High-power few-cycle THz generation at MHz repetition rates in an organic crystal, APL Photonics, 5(10), p. 106103, 2020, DOI: 10.1063/5.0022762. Z. CHEN, J. WANG, H. JIN, J. YANG, Q. BAO, Z. MA, W. TRESS, Z. TANG, An underestimated photoactive area in organic solar cells based on a ZnO interlayer, J. Mater. Chem. C, 2021, DOI: 10.1039/D1TC00745A. I. N. GIANNAKEAS, T. K PAPATHANASIOU, A. SOLEIMAN FALLAH, H. BAHAI, Coupling XFEM and peridynamics for brittle fracture simulation—part II : adaptive relocation strategy, Computational Mechanics, 66(3), pp. 683-705, 2020, DOI: 10.1007/s00466-020-01872-8. I. N. GIANNAKEAS, T. K. PAPATHANASIOU, A. SOLEIMAN FALLAH, H. BAHAI, Coupling XFEM and peridynamics for brittle fracture simulation—part I : feasibility and effectiveness, Computational Mechanics, 66, pp. 103-122, 2020, DOI: 10.1007/s00466-020-01843-z. V. GORSHKOV, P. SAREH, N. NAVADEH, V. TERESHCHUK, A. SOLEIMAN FALLAH, Multi-resonator metamaterials as multi-band metastructures, Materials & Design, 02(109522), 2021, DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109522. J. JAGIELSKI, S. F. SOLARI, L. JORDAN, D. SCULLION, B. BLÜLLE, Y. T. LI, F. KRUMEICH, Y. C. CHIU, B. RUHSTALLER, E. J. G. SANTOS, C. J. SHIH, Scalable photonic sources using two-dimensional lead halide perovskite superlattices. Nature Communications 11 1 1, 2020. S. JENATSCH, S. ZÜFLE, B. BLÜLLE, B. RUHSTALLER, Combining steady-state with frequency and time domain data to quantitatively analyze charge transport in organic light-emitting diodes, J. Appl. Phys. 127 (3), 031102, 2020. D. KIM, W. T. KIM, J. H. HAN, J. A. LEE, S. H. LEE, B. J. KANG, M. JAZBINSEK, W. YOON, H. YUN, D. KIM, S. VAN BEZOUW, J. CAMPO, W. WENSELEERS, F. ROTERMUND, O.P. KWON, Wide-Bandgap Organic Crystals: Enhanced Optical-to-Terahertz Nonlinear Frequency Conversion at Near-Infrared Pumping, Appl. Optical Mater. 8, 1902099, 2020. D. KIM, W. T. KIM, J.-H. SEOK, I. C. YU, M. JAZBINSEK, W. YOON, H. YUN, D. KIM, F. ROTERMUND, O. KWON, 2020. Molecular salt crystals with bis(head-to-tail) interionic complementary assembly for efficient organic THz generators, Journal of Materials Chemistry, C. 8(29), pp 10078-10085, 2020, DOI: 10.1039/D0TC02225J. J. KIM, Y. C. PARK, J. H. SEOK, M. JAZBINSEK, O. P. KWON, Solid‐State Molecular Motions in Organic THz Generators, Advanced Optical Materials 9, 2001521, 2021, DOI: 10.1002/adom.202001521.

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S. I. KIM, W. T. KIM, J. H. SEOK, M. JAZBINSEK, W. YOON, I. C. YU, H. YUN, D. KIM, F. ROTERMUND, O. P. KWON, Organic σ‐Hole containing crystals with enhanced nonlinear optical response and efficient optical‐to‐THz frequency conversion, Appl. Optical Mater. 8, 1901840, 2020. E. KNAPP, M. BATTAGLIA, T. STADELMANN, S. JENATSCH, B. RUHSTALLER, XGBoost trained on synthetic data to extract material parameters of organic semiconductors [Paper], In: Proceedings of the 8th SDS, 8th Swiss Conference on Data Science, Lucerne, Switzerland, 9 June 2021. IEEE, DOI: 10.21256/zhaw22414. M. KÜTTINGER, R. BRUNETAUD, J. K. WŁODARCZYK, P. FISCHER, J: TÜBKE, Cycle behaviour of hydrogen bromine redox flow battery cells with bromine complexing agents, Journal of Power Sources. 495(229820), 2021, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2021.229820. M. KÜTTINGER, J. K. WLODARCZYK, D. DAUBNER, P. FISCHER, J. TÜBKE, High energy density electrolytes for H2/Br2 redox flow batteries, their polybromide composition and influence on battery cycling limits, RSC Advances, 1(9), pp 5218-5229, 2021, DOI:10.1039/D0RA10721B. V. M. LE CORRE, Z: WANG, L. J. A. KOSTER, W. TRESS, Device Modeling of Perovskite Solar Cells: Insights and Outlooks, Soft-Matter Thin Film Solar Cells: Physical Processes and Device Simulation 4–1, AIP Publishing LLC Melville, New York, 2020. J. A. LEE, W. T. KIM, M. JAZBINSEK, D. KIM, S. H. LEE, I. C. YU, W. YOON, H. YUN, F. ROTERMUND, O. P. KWON, X-Shaped Alignment of Chromophores: Potential Alternative for Efficient Organic Terahertz Generators, Appl. Optical Mater. 8, 1901921, 2020. H. LU, Y. LIU, P. AHLAWAT, A. MISHRA, W. TRESS, F. T. EICKEMEYER, Y. YANG, F. FU, W. ZAIWEI; C. E. AVALOS, B. I. CARLSEN, A. AGARWALLA, X. ZHANG, X. LI, Y. ZHAN, S. M. ZAKEERUDDIN, L. EMSLEY, U. ROTHLISBERGER, L. ZHENG, A. HAGFELDT, M: GRÄTZEL, Vapor-assisted deposition of highly efficient, stable black-phase FAPbI3 perovskite solar cells, Science, 370(6512), pp. 8985, 2020, DOI: 10.1126/science.abb8985. N. NAVADEH, I. GORSHKO, Y. ZHUK, F. ETMINAN MOGHADAM, A. SOLEIMAN FALLAH, Finite element analysis of wind turbine blade vibrations, Vibration, 4(2), pp. 310-322, 2021, DOI: 10.3390/vibration4020020. A. V. OVCHINNIKOV, O. V. CHEFONOV, M. B. AGRANAT, V. E. FORTOV, M. JAZBINSEK, C. P. HAURI, Generation of strong-field spectrally tunable terahertz pulses, Optics Express 28, 33921, 2020, DOI: 10.1364/OE.405545. U. PUC, T. BACH, P. GÜNTER, M. ZGONIK, M. JAZBINSEK, Ultra‐Broadband and High‐Dynamic‐Range THz Time‐Domain Spectroscopy System Based on Organic Crystal Emitter and Detector in Transmission and Reflection Geometry, Advanced Photonics Research 2, 2000098, 2021, DOI: 10.1002/adpr.202000098. M.-H. SHIN, W. T. KIM, S.-I. KIM, S.-J. KIM, I. C. YU, S.-W. KIM, M. JAZBINSEK, W. YOON, H. YUN, F. ROTERMUND, O.-P. KWON, Organic broadband THz generators optimized for efficient near ‐infrared optical pumping, Advanced Science, 7(20), p. 2001738, 2020, DOI: 10.1002/advs.202001738. A. SOLEIMAN FALLAH, I. N GIANNAKEAS, R. MELLA, M. R. WENMAN, Y. SAFA, H. BAHAI, On the computational derivation of bond-based peridynamic stress tensor, Journal of Peridynamics and Nonlocal Modeling, 2020, DOI: 10.1007/s42102-020-00036-9. L. STEINMETZ, C. GEERS, M: BONMARIN, B. ROTHEN-RUTISHAUSER, A. PETRI-FINK, M. LATTUADA, Experimental and theoretical validation of plasmonic nanoparticle heat generation by using lock-in thermography, The Journal of Physical Chemistry C. 25(10), pp. 5890-5896, 2021, DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c11419. L. STEINMETZ, C. GEERS, S. BALOG, M: BONMARIN, L. RODRIGUEZ-LORENZO, P. TALADRIZ-BLANCO, B. ROTHEN-RUTISHAUSER, A. PETRI-FINK, A comparative study of silver nanoparticle dissolution under physiological conditions, Nanoscale Advances, 2020, DOI: 10.1039/D0NA00733A.

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L. STEINMETZ, J. BOURQUIN, H. BAROSOVA, L. HAENI, J. CALDWELL, A. MILOSEVIC, C. GEERS, M: BONMARIN, P. TALADRIZ-BLANCO, B. ROTHEN-RUTISHAUSER, A. PETRI-FINK, Rapid and sensitive quantification of cell-associated multi-walled carbon nanotubes, Nanoscale, 2020, DOI: 10.1039/d0nr03330h. L. STEINMETZ, C. KIRSCH, C. GEERS, A. PETRI-FINK, M: BONMARIN, Investigating a lock-in thermal imaging setup for the detection and characterization of magnetic nanoparticles, Nanomaterials, 10(9), 2020, DOI: 10.3390/nano10091665. W. XIANG, S. F. LIU, W. TRESS, A review on the stability of inorganic metal halide perovskites: challenges and opportunities for stable solar cells, Energy Environ. Sci. 14, pp. 2090–2113, 2021. B. YANG, J. SUO, E. MOSCONI, D. RICCIARELLI, W. TRESS, F. DE ANGELIS, H.-S. KIM, A. HAGFELDT, Outstanding passivation effect by a mixed-salt interlayer with internal interactions in perovskite solar cells, ACS Energy Letters. 5(10), pp. 3159-3167, 2020, DOI: 10.1021/acsenergylett.0c01664. S. ZEDER, C. KIRSCH, U. AEBERHARD, B. BLÜLLE, S. JENATSCH, B. RUHSTALLER, Coupled 3D master equation and 1D drift-diffusion approach for advanced OLED modeling, J. Soc. Inf. Disp. 28 (5), pp. 440–449, 2020, DOI: 10.1002/jsid.903. F. J. ZHAO, M. BONMARIN, Z. C. CHEN, M. LARSON, D. FAY, D. RUNNOE, J. HEIKENFELD, Ultra-simple wearable local sweat volume monitoring patch based on swellable hydrogels, Lab on a chip 20 (1), 168174, 2020.

A.3 Buchkapitel G. BOIGER, H. KHAWAJA, M. MOATAMEDI, Introduction: Large, (non-)spherical particle modelling in the context of fluid filtration application, Multiphysics Modelling of Fluid-Particulate Systems, Elsevier Academic Press London, 2020. G. BOIGER, H. KHAWAJA, M. MOATAMEDI, Methodology: Large (non-)spherical particle modeling in the context of fluid filtration applications, Multiphysics Modelling of Fluid-Particulate Systems, Elsevier Academic Press London, 2020. G. BOIGER, H. KHAWAJA, M. MOATAMEDI, Validation: Experimental and semi-analytical validation (in the context of Large (non-)spherical particle modelling for fluid filtration applications), Multiphysics Modelling of Fluid-Particulate Systems, Elsevier Academic Press London, 2020. G. BOIGER, H. KHAWAJA, M. MOATAMEDI, Application and results: Filter fibre engineering (in the context of Large (non-)spherical particle modelling for fluid filtration applications), Multiphysics Modelling of Fluid-Particulate Systems, Elsevier Academic Press London, 2020. G. BOIGER, H. KHAWAJA, M. MOATAMEDI, Conclusion and Vision (in the context of Large (non-)spherical particle modelling for fluid filtration applications), Multiphysics Modelling of Fluid-Particulate Systems, Elsevier Academic Press London, 2020.

A.4 Konferenzen und Workshops T. BACH, U. PUC, V. MICHEL, M. JAZBINSEK, P. GÜNTER, C. MEDRANO, Ultra-broadband terahertz time-domain spectroscopy in a compact system with DSTMS organic crystals, SPIE Photonics West - Conference 11279 «Terahertz, RF, Millimeter, and Submillimeter-Wave Technology and Applications XIII», San Francisco, USA, 1-6 February 2020. G. K. BOIGER, B. SIYAHHAN, V. LIENHARD, Advancing the validation and application of a Eulerian-Lagrangian multiphysics solver for coating processes in terms of massive simultaneous cloud computing. In:

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Multiphysics 2020, International Conference of Multiphysics, Online, 11-12 December 2020, International Society of Multiphysics, p. 38, 2020, https://static1.squarespace.com/static/5c9f89c101232c1d41297d67/t/5fd1bf288185f4776a0d1807/160 7581490712/MULTIPHYSICS+2020+-+Abstracts.pdf. G. K. BOIGER, M. EVERITT, D. SHARMAN, M. BOLDRINI, Massive simultaneous cloud computing (MSCC) for multiphysics-simulation applications, In: Multiphysics 2020. International Conference of Multiphysics, Online, 11-12 December 2020, International Society of Multiphysics, p. 59, 2020, https://static1.squarespace.com/static/5c9f89c101232c1d41297d67/t/5fd1bf288185f4776a0d1807/160 7581490712/MULTIPHYSICS+2020+-+Abstracts.pdf. G. K. BOIGER, V. LIENHARD, V. BUFF, B. SIYAHHAN, On establishing and applying a system dynamic modeling method in the context of investigating tar formation within wood gasification systems, Invited talk, NIC National Institute of Chemistry, Ljubljana, Slovenja, January 16th, 2020. G. K. BOIGER, V. LIENHARD, V. BUFF, B. SIYAHHAN, Development and Validation of a Eulerian-Lagrangian modelt o predict particle motion and deposition in electrostatic fields, Invited talk, NIC National Institute of Chemistry, Ljubljana, Slovenja, January 16th, 2020. G. K. BOIGER, 2020. FEA/FV workshop, Using OpenFoam in finite volume analysis. Invited talk, AlGhurair University, Dubai, UAE, February 9th-13th, 2020, https://agu.ac.ae/news-events/fea-workshop2020/; https://agu.ac.ae. D. BRUNNER, J. GOODBREAD, K. HÄUSLER, S. KUMAR, H. KHAWAJA, G. K. BOIGER, Modelling a viscositydensity sensor based on small amplitude torsional vibrations, In: Multiphysics 2020, International Conference of Multiphysics, Online, 11-12 December 2020, International Society of Multiphysics. p. 23. https://static1.squarespace.com/static/5c9f89c101232c1d41297d67/t/5fd1bf288185f4776a0d1807/1607581490712/MULTIPHYSICS+2020+-+Abstracts.pdf. R. HERRENDÖRFER, M. COCHET, P. BOILLAT, J. SCHUMACHER, 3-D simulation of heat and water transport in PEFCs during evaporative cooling and humidification, In: 17th Symposium on Modeling and Experimental Validation of Electrochemical Energy Technologies, Online Conference, 20-22 April 2021. R. HERRENDÖRFER, J. SCHUMACHER, M. COCHET, F. N. BÜCHI, P. BOILLAT, 3-D simulation of water and heat transport processes in fuel cells during evaporative cooling and humidification [Poster], In: 7th SCCER Mobility Annual Conference, Online, 23 November 2020, DOI: 10.21256/zhaw-20916. M. HOSTETTLER, D. BRUNNER, F. ROSENTHAL, M: CLEMENS, E. KOEPF, G. K. BOIGER, Analysis of falling droplets into resting liquid and resulting shear stresses, In: Multiphysics 2020, International Conference of Multiphysics, Online, 11-12 December 2020. International Society of Multiphysics p. 50. https://static1.squarespace.com/static/5c9f89c101232c1d41297d67/t/5fd1bf288185f4776a0d1807/160 7581490712/MULTIPHYSICS+2020+-+Abstracts.pdf. B. J. KANG, W. T. KIM, S. H. LEE, M. JAZBINSEK, O. P. KWON, F. ROTERMUND, Recent progress on highly nonlinear organic crystals for efficient broadband THz wave generatio, SPIE Photonics West - Conference 11264 «Nonlinear Frequency Generation and Conversion: Materials and Devices XIX», San Francisco, USA, 1-6 February 2020. W. T. KIM, M. H. SHIN, S. I. KIM, S. H. LEE, I. C. YU, M. JAZBINSEK, W. YOON, H. YUN, D. KIM, O. P. KWON, F. ROTERMUND, New design strategy of organic nonlinear crystals via suppression of phonon vibrational modes for gap-free broadband THz generation, SPIE Photonics West - Conference 11264 «Nonlinear Frequency Generation and Conversion: Materials and Devices XIX», San Francisco, USA, 1-6 February 2020. V. LIENHARD, M. BOLDRINi, G. BOIGER, Simulation based investigation of an electrostatic method for deflecting charged particle clouds, Invited talk, NIC National Institute of Chemistry, Ljubljana, Slovenja, January 16th, 2020.

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K. P. PERNSTICH, Eine App zur Gamification der Übungen in MINT-Fächern, Bürgenstock-Konferenz der Schweizer Fachhochschulen und Pädagogischen Hochschulen, Luzern, Schweiz, 10. – 11. Januar 2020. B. SIYAHHAN, G. K. BOIGER, A dynamic Eulerian-Lagrangian solver for the optimization of powder coating processes, In: Multiphysics 2020, International Conference of Multiphysics, Online, 11-12 December 2020. International Society of Multiphysics. p. 40. 2020, https://static1.squarespace.com/static/5c9f89c101232c1d41297d67/t/5fd1bf288185f4776a0d1807/160 7581490712/MULTIPHYSICS+2020+-+Abstracts.pdf. W. TRESS, Z. WANG, F. EBADI GARJAN, 2020, Understanding transient optoelectronic measurements and operation of perovskite solar cells, In: 7th International Conference on Simulation of Organic Electronics and Photovoltaics (SimOEP), online, 31. August – 2. September 2020.

A.5 Vorlesungen T. BERGMANN, T. HOCKER, Thermische Energiesysteme für Maschinentechnik und Energie- und Umwelttechnik, Vorlesung, FS21, Bachelor of Science. D. BERNHARDSGRÜTTER, Analysis 1 für Aviatik, Vorlesung und Praktikum, HS20, Bachelor of Science. D. BERNHARDSGRÜTTER, Lineare Algebra 1 für Elektrotechnik und Systemtechnik, Vorlesung, HS20, Bachelor of Science. D. BERNHARDSGRÜTTER, Analysis 2 für Aviatik, Vorlesung und Praktikum, FS21, Bachelor of Science. D. BERNHARDSGRÜTTER, Lineare Algebra 2 für Elektrotechnik und Systemtechnik, Vorlesung, FS21, Bachelor of Science. G. BOIGER, Mathematik: Numerik 2 für Informatik, Vorlesung, HS20, Bachelor of Science. G. BOIGER, TSM Advanced Thermodynamics, HS20, Master of Science in Engineering. G. BOIGER, EVA OpenFoam I - Thermo-Fluid-Dynamic Model Development using OpenFoam, HS20, Master of Science in Engineering. G. BOIGER, Fluid- und Thermodynamik 1 für Maschinentechnik und Energie- und Umwelttechnik, Vorlesung und Praktikum, FS21, Bachelor of Science. G. BOIGER, TSM Two Phase Flow / Heat- and Mass Transfer, FS21, Master of Science in Engineering. G. BOIGER, EVA OpenFoam II - Thermo-Fluid-Dynamic Model Development using OpenFoam, FS21, Master of Science in Engineering. M. BONMARIN, Höhere Mathematik für Informatiker 1, Vorlesung und Praktikum, HS20, Bachelor of Science. M. BONMARIN, Physik 1 für Systemtechnik, Vorlesung und Praktikum, HS20, Bachelor of Science. M. BONMARIN, Ausgewählte Kapitel in der Medizintechnik für Elektrotechnik und Systemtechnik, Vorlesung und Praktikum, FS21, Bachelor of Science. M. BONMARIN, Höhere Mathematik II für Informatiker, Vorlesung und Praktikum, FS21, Bachelor of Science. M. BONMARIN, Physik 2 für Systemtechnik, Vorlesung und Praktikum, FS21, Bachelor of Science. D. FEHR, Grundlagen der Elektrotechnik und Digitaltechnik für Informatik, Praktikum, HS20, Bachelor of Science. T. HOCKER, Aviation Projects 1 für Aviatik, Praktikum, HS20, Bachelor of Science.

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T. HOCKER, Physik 1 für Aviatik, Vorlesung und Praktikum, HS20, Bachelor of Science. T. HOCKER, Aviation Projects 2 für Aviatik, Praktikum, FS21, Bachelor of Science. T. HOCKER, Physik 2 für Aviatik, Vorlesung und Praktikum, FS21, Bachelor of Science. M. JAZBINSEK, Physik 1 für Energie- und Umwelttechnik, Vorlesung und Praktikum, HS20, Bachelor of Science. M. JAZBINSEK, Physik 2 für Maschinentechnik und Energie- und Umwelttechnik, Vorlesung und Praktikum, FS21, Bachelor of Science. C. KIRSCH, Analysis 1 für Elektrotechnik und Systemtechnik, Vorlesung und Praktikum HS20, Bachelor of Science. C. KIRSCH, Analysis 3 für Elektrotechnik und Systemtechnik, Vorlesung und Praktikum, HS20, Bachelor of Science. C. KIRSCH, Analysis 2 für Elektrotechnik und Systemtechnik, Vorlesung und Praktikum, FS21, Bachelor of Science. C. KIRSCH, Numerik für Elektrotechnik und Systemtechnik, Vorlesung und Praktikum, FS21, Bachelor of Science. E. KNAPP, Numerik für Aviatik und Verkehrssysteme, Vorlesung und Praktikum, HS21, Bachelor of Science. V. LIENHARD, Grundlagen der Elektrotechnik und Digitaltechnik für Informatik, Praktikum, HS20, Bachelor of Science. V. LIENHARD, Physik für Maschinentechnik 3, Praktikum, FS20, Bachelor of Science. P. MARMET, Analysis 1 für Informatik und Wirtschaftsingenieurwesen, Vorlesung und Praktikum, HS20, Bachelor of Science. P. MARMET, Analysis 2 für Informatik und Wirtschaftsingenieurwesen, Vorlesung und Praktikum, FS21, Bachelor of Science. K. PERNSTICH, Grundlagenprojekt 1 für Verkehrssysteme, Praktikum, HS20, Bachelor of Science. K. PERNSTICH, Physik 1 für Verkehrssysteme, Vorlesung und Praktikum, HS20, Bachelor of Science. K. PERNSTICH, Grundlagenprojekt 2 für Verkehrssysteme, Praktikum, FS21, Bachelor of Science. K. PERNSTICH, Physik 2 für Verkehrssysteme, Vorlesung und Praktikum, FS21, Bachelor of Science. M. ROOS, Höhere Mathematik für Informatiker 1, Vorlesung und Praktikum, HS20, Bachelor of Science. M. ROOS, Mathematik: Numerik 2 für Informatik, Vorlesung, HS20, Bachelor of Science. M. ROOS, Scientific Computing für Elektrotechnik und Informatik, Vorlesung und Praktikum, HS20, Bachelor of Science. M. ROOS, Höhere Mathematik II für Informatiker, Vorlesung und Praktikum, FS21, Bachelor of Science. M. ROOS, Numerik für Systemtechnik, Vorlesung und Praktikum, FS21, Bachelor of Science. M. ROOS, FTP_Tensors, FS21, Master of Science in Engineering. B. RUHSTALLER, Physik 1 für Verkehrssysteme, Praktikum, HS20, Bachelor of Science. B. RUHSTALLER, Applied Photonics, HS20, Master of Science in Engineering. B. RUHSTALLER, Advanced Thin Films, FS21, Master of Science in Engineering. M. SCHMID, Analysis 3 für Elektrotechnik, Vorlesung und Praktikum, HS20, Bachelor of Science.

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M. SCHMID, Lineare Algebra 1 für Elektrotechnik und Systemtechnik, Vorlesung, HS20, Bachelor of Science. M. SCHMID, Lineare Algebra 2 für Elektrotechnik und Systemtechnik, Vorlesung, FS21, Bachelor of Science. J. SCHUMACHER, Lineare Algebra 1 für Elektrotechnik und Systemtechnik, Vorlesung, HS20, Bachelor of Science. J. SCHUMACHER, Synthetische Treibstoffe, FS21, Bachelor of Science. J. SCHUMACHER, Lineare Algebra 2 für Elektrotechnik und Systemtechnik, Vorlesung, FS21, Bachelor of Science. J. SCHUMACHER, Synthetische Treibstoffe für Maschinentechnik und Energie- und Umwelttechnik, Vorlesung, FS21, Bachelor of Science. J. SCHUMACHER, Numerical Simulation of Solar Cells, FS21, Universität Freiburg im Breisgau, Master of Science in Engineering. J. SCHUMACHER, Multiphysics Modeling and Simulation, FS21, Swiss course of studies: Master of Science in Engineering. W. TRESS, Physik 1 für Aviatik, Maschinentechnik und Verkehrssysteme, Vorlesung und Praktikum, HS20, Bachelor of Science. W. TRESS, Physik 2 für Aviatik und Maschinentechnik, Vorlesung und Praktikum, FS21, Bachelor of Science. A. WITZIG, Physik 3 für Verkehrssysteme, Vorlesung und Praktikum, HS20, Bachelor of Science. A. WITZIG, Physik Engines für Informatik, Vorlesung, FS21, Bachelor of Science. A. WITZIG, Physik 3 für Systemtechnik, Vorlesung und Praktikum, FS21, Bachelor of Science. A. WITZIG, Solarthermie für Maschinentechnik und Energie- und Umwelttechnik, Vorlesung, FS21, Bachelor of Science.

A.6 ICP-Spin-off-Firmen

www.nmtec.ch

Die Numerical Modelling GmbH arbeitet auf dem Gebiet des Computer Aided Engineering (CAE) und bietet Dienstleistungen und Simulationstools kleinen und mittleren Unternehmen an. Unsere Kernkompetenz ist der Wissenstransfer, indem wir die Lücke zwischen wissenschaftlichem Know-how und seiner Anwendung in der Industrie schliessen. Mit unserem Wissen aus Physik, Chemie und den Ingenieurswissenschaften sind wir in der Lage, Ihren Produktentwicklungszyklus zu unterstützen und uns Ihrem Zeit- und Kostenrahmen anzupassen. Wir schaffen häufig sogenannte kundenspezifische CAE-Tools, in die die wissenschaftlichen Kenntnisse, die für Ihr Produkt nötig sind, eingebettet sind. In dieser Form kann es leicht innerhalb Ihrer F&E-Abteilung eingesetzt werden, aktuelle Projekte unterstützen sowie die Fähigkeiten Ihrer Mitarbeiter verbessern. Fragen Sie uns nach unserem unverbindlichen Beratungsangebot, das alle Gebiete des wissenschaftlichen Wissenstransfers umfasst.

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www.fluxim.com

Fluxim ist ein Anbieter von Simulationssoftware und Messhardware für die Display-, Beleuchtungs- und Photovoltaik-Industrie weltweit. Die Hauptaktivität von Fluxim ist die Entwicklung der Simulationssoftware Setfos und Laoss, ebenso wie der Messsysteme Paios, Phelos und Litos. Die Kombination der Simulationssoftware mit Messdaten erlaubt die Bestimmung von Material- und Bauteilparametern. Die F&E-Tools werden weltweit in industriellen und akademischen Forschungslabors eingesetzt, um neue Bauelemente und Halbleitermaterialien mit verbesserter Leistung zu entwickeln und um die Physik der Bauelemente zu untersuchen.

www.coatmaster.ch

Die coatmaster AG (zuvor Winterthur Instruments) entwickelt Messsysteme für schnelle berührungslose und zerstörungsfreie Prüfung industrieller Beschichtungen. Mit diesen Messsystemen können Beschichtungsdicken und Materialparameter bestimmt werden, etwa die Porosität und die Kontaktqualität, um beispielsweise Delamination zu entdecken. Das System basiert auf optisch-thermischen Messverfahren und lässt sich auf alle Arten von Beschichtungs- und Substratmaterialien anwenden. Unsere Messsysteme bieten die einzigartige Möglichkeit der berührungslosen und zerstörungsfreien Prüfung von beliebigen Beschichtungen auf Substraten.

www.nanolockin.com

NanoLockin entwickelt eine neue Benchmark-Technologie für den Nachweis und die Analyse von Nanopartikeln in allen Arten von Produkten. Das Unternehmen hat den Fribourg Innovation Award 2018 gewonnen.

www.zarawind.com

Zarawind ist ein ZHAW-Spin-off mit Sitz in Winterthur, das an der Entwicklung einer in der Luft schwebenden Windenergieturbine beteiligt ist. Das Ziel der Firma ist es, heute noch ungenutzte erneuerbare Energiequellen zu erschliessen. Die Technologie von Zarawind strebt an, erneuerbare und kostengünstige Elektrizität aus der in grosser Höhe und starken und konsistenten Windkraft zu produzieren. Das kann durch einen Rotor erreicht werden, der durch einen Aerostaten auf mehrere hundert Meter über Grund angehoben wird. Die Windkraft ist eine starke, ständig verfügbare Energiequelle. Das Zarawind-Konzept stellt dauerhaften Betrieb sicher und verhindert Lärmprobleme, flackernde Lichtreflektionen und Vogelkollisionen. Es ist auch für netzferne Regionen geeignet und produziert Strom zu geringen Kosten.

Zürcher Fachhochschule

www.zhaw.ch

Institutsbericht 2021

Institute of Computational Physics

www.reorbis.ch

Die Reorbis GmbH mit Sitz in Winterthur hat das Ziel, Dienstleistungen für die verarbeitende Industrie in der Form von Lebenszyklusanalysen (LCA) anzubieten. In der Aluminiumindustrie besteht aufgrund einer neuen Norm (Aluminium Stewardship Initiative, ASI) grosses Interesse für LCA. Das Angebot richtet sich in erster Linie auf die Erreichung der Zertifizierung ASI-Norm. Die Kreislaufwirtschaft wird neben Aluminium auf weitere Rohstoffe angewandt.

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www.zhaw.ch

Institutsbericht 2021

Institute of Computational Physics

A.7 ICP-Mitarbeitende Name

Funktion

Michael Auer Andreas Bachmann Mattia Battaglia David Bernhardsgrütter Prof. Dr. Gernot Boiger Marlon Boldrini Prof. Dr. Mathias Bonmarin Dr. Daniel Brunner Vincent Buff Ennio Comi Dr. Firouzeh Ebadi Garjan Sandro Ehrat Daniel Fehr Raphael Hagen Dr. Robert Herrendörfer Prof. Dr. Thomas Hocker Dr. Lorenz Holzer Marco Hostettler Dr. Mojca Jazbinsek Dr. Lukas Keller David Kempf Dr. Christoph Kirsch Dr. Gabriela Kissling Dr. Evelyne Knapp Viktor Lienhard Philip Marmet Alexandra Meier Mahdi Mohammadi Gaël Mourouga Dr. Kurt Pernstich Dr. Uros Puc Dr. Markus Regnat Prof. Dr. Markus Roos Prof. Dr. Beat Ruhstaller Dr. Yasser Safa Dr. Guido Sartoris Dr. Roman Schärer Andreas Schiller Dr. Matthias Schmid Prof. Dr. Jürgen Schumacher Darren Sharman Bercan Siyahhan Dr. Fabrizio Spano Jessica Stoll Dr. Wolfgang Tress Stephan Weber Prof. Dr. Andreas Witzig Jakub Wlodarczyk Dr. Asier Zubiaga Dr. Simon Züfle

Wissenschaftlicher Assistent Wissenschaftlicher Assistent Wissenschaftlicher Mitarbeiter Wissenschaftlicher Mitarbeiter Dozent Wissenschaftlicher Mitarbeiter Dozent Wissenschaftlicher Assistent Wissenschaftlicher Assistent Wissenschaftlicher Assistent Wissenschaftliche Mitarbeiterin Wissenschaftlicher Assistent Wissenschaftlicher Mitarbeiter Wissenschaftlicher Assistent Wissenschaftlicher Mitarbeiter Dozent Wissenschaftlicher Mitarbeiter Wissenschaftlicher Mitarbeiter Dozentin Wissenschaftlicher Mitarbeiter Wissenschaftlicher Assistent Dozent Wissenschaftliche Mitarbeiterin Wissenschaftliche Mitarbeiterin Wissenschaftlicher Mitarbeiter Wissenschaftlicher Assistent Institutsassistentin Wissenschaftlicher Assistent Wissenschaftlicher Assistent Dozent Wissenschaftlicher Mitarbeiter Wissenschaftlicher Mitarbeiter Lehrbeauftragter Dozent Wissenschaftlicher Mitarbeiter Wissenschaftlicher Mitarbeiter Wissenschaftlicher Mitarbeiter Wissenschaftlicher Assistent Dozent Dozent Wissenschaftlicher Mitarbeiter Wissenschaftlicher Assistent Wissenschaftlicher Mitarbeiter Wissenschaftliche Assistentin Dozent Wissenschaftlicher Assistent Dozent, Institutsleiter Wissenschaftlicher Assistent Wissenschaftlicher Mitarbeiter Wissenschaftlicher Mitarbeiter

auei@zhaw.ch bacr@zhaw.ch batg@zhaw.ch bens@zhaw.ch boig@zhaw.ch bolm@zhaw.ch bmat@zhaw.ch brni@zhaw.ch buff@zhaw.ch comi@zhaw.ch ebad@zhaw.ch ehrd@zhaw.ch fehd@zhaw.ch hagp@zhaw.ch herf@zhaw.ch hoto@zhaw.ch holz@zhaw.ch hose@zhaw.ch jazb@zhaw.ch kelu@zhaw.ch kemf@zhaw.ch kirs@zhaw.ch kisi@zhaw.ch hube@zhaw.ch lied@zhaw.ch mame@zhaw.ch bral@zhaw.ch mohd@zhaw.ch mouo@zhaw.ch pern@zhaw.ch pucu@zhaw.ch rega@zhaw.ch roor@zhaw.ch ruhb@zhaw.ch safa@zhaw.ch srts@zhaw.ch scsl@zhaw.ch scdr@zhaw.ch scmi@zhaw.ch schm@zhaw.ch shaa@zhaw.ch siya@zhaw.ch span@zhaw.ch stlj@zhaw.ch trew@zhaw.ch weet@zhaw.ch wita@zhaw.ch wlod@zhaw.ch zuba@zhaw.ch zufe@zhaw.ch

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Institute of Computational Physics

A.8 Standort

ICP Institute of Computational Physics Technikumstrasse 9 Postfach CH-8401 Winterthur www.zhaw.ch/icp Kontakt Andreas Witzig Fon +41 58 934 45 73 andreas.witzig@zhaw.ch Administration Alexandra Meier Fon +41 58 934 76 82 alexandra.meier@zhaw.ch

TK-Gebäude

Zürcher Fachhochschule

TN-Gebäude

www.zhaw.ch

Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften

School of Engineering ICP Institute of Computational Physics Technikumstrasse 9 Postfach CH-8401 Winterthur Telefon +41 58 934 71 71 info.engineering@zhaw.ch www.zhaw.ch/icp

ICP Research Report 2021

Articles inside

A.7 ICP-Mitarbeitende

A.6 ICP-Spin-off-Firmen

5 Computergestützte Physik und künstliche Intelligenz

A.5 Vorlesungen

4.5 Künstliche-Intelligenz (KI) Wärmepumpen-Regler

4.4 Messtechnik für dezentrale Energiesysteme

A.2 Wissenschaftliche Publikationen

4.3 Design und Entwicklung von künstlichen Hautmodellen für taktile Sensoranwendungen

4.2 Tragbares Gerät zur Frühdiagnose von Lymphödemen

4.1 Nachweis von Nanopartikeln in komplexen Umgebungen

3.7 Hardware-Software-Integration und Validierung eines kompakten Terahertz-Systems

3.6 Organische Terahertz-Photonik

elektrochemischen Methoden und theoretischen Modellen

3.4 Neue Tools für die Charakterisierung von Quanten-Punkt-Displays

Kombination von Experiment und Simulation (CTDyn

grossflächige Perowskitsolarzellen

trainiertes neuronales Netzwerk

3 Organische Elektronik und Photovoltaik

Brennstoffzellen für Transportanwendungen

2.4 Thermodynamisch konsistenter Ansatz zur Modellierung von Redox-Flow-Batterien

2.1 Makro-homogene Modelle für organische Flussbatterien

und Befeuchtung

Verlagerungsstrategie

und Effektivität

1.18 Erweiterte Peridynamik-Fähigkeit bei der Vorhersage von mechanischen Fehlern

1.15 Effektive Wärmeleitfähigkeit und CFD-Implementierung einer Heatpipe

von Kunststoffrohren

1.17 Lebensdauer von Goldkontaktkomponenten unter adhäsiver Verschleissbelastung

1.16 Simulation der Hüllentemperatur eines Heissluftballons

Infrarot-Schweissen von Kunststoffrohren

Klimaanlagen

von SOFC-Elektroden

1.10 Modellbasierte Optimierung von MIEC-SOFC-Anoden

beweglichen Pistolen

1.7 Thermophoretische Kraft auf Schwebeteilchen

Kapillardruck bei der Entwässerung in Opalinuston

1.5 CFD-Modellierung von Tropfenaufprall in eine ruhende Flüssigkeit

1.8 Dreidimensionale Modellierung von Pulverschneelawinen

1.3 Entwicklung einer Rohrsensorplattform für Inline-Prozessüberwachung

1.4 Simulationsbasierte Kalibrierung von Infusionssystemen