Research News

Research Projects

Smart Reactors – Sustainable Future with Biocatalysis

One major focus of today’s research in industrial production is an advanced digitalization and an increasing demand of smart technology in terms of reaction design, known as “industry 4.0”. This concept is also finding significant relevance in biocatalysis, with rising trend. In fact, the majority of chemical and biochemical processes are still carried out in batch operation, predominately on an industrial scale. Optimization of reaction environments is still an underrepresented research topic, but the major focus of the program “Smart Reactors”. 

The focus of the presented research is to serve novel approaches for a rational and tailor-made reactor design with the means of smart technology. Thereby, we aim the implementation of smart process control to yield autonomously operating bioprocesses, including surface-enhancing and stimuli-responsive materials from bulk chemicals, as shown in Figure 1, and additional integration of inline analytics in the form of UV and IR/Raman. Especially, stimuli responsive hydrogels in a 3D printed manner with encapsulated enzymes are investigated in cooperation with the Institute of Thermal Separation Processes (TVT, TUHH).

(08. April 2021)

Kontinuierliche Bauwerksüberwachung mit der VAM-Methode

Ein großer Teil unserer Infrastruktur, u.a. Brücken und Windräder, sind über einen langen Zeitraum großen Belastungen ausgesetzt. Dabei kann es passieren, dass besonders stark belastete Elemente lokal Schaden nehmen und im schlimmsten Fall ein Versagen der gesamten Tragstruktur verursachen. Ein prominenter Fall ist eine Brücke in Genua, die im Jahr 2018 nach vielen Jahren mangelhafter Wartung einstürzte und dabei 43 Menschen das Leben kostete. 

Damit so etwas nicht passiert, werden tragende Strukturen in regelmäßigen Abständen von Experten gewartet. Diese manuelle Wartung ist jedoch aufwendig, kostspielig und fehleranfällig. Stattdessen können Methoden für die automatisierte Strukturüberwachung eingesetzt werden, um Materialdegradation in Echtzeit festzustellen und dieser frühzeitig entgegenzuwirken, bevor sich größere Schäden einstellen.

(22. März 2021)

Tailor-made particles by fluidized bed spray granulation

Fluidized bed spray granulation is one of the main unit operations in the field of solids process engineering and for example applied for the production of pharmaceuticals, fertilizers or detergents. In a fluidized bed the particles are entrained by the upward flow of the fluidization gas resulting in a bed expansion coming along with a high heat, mass and momentum transfer. During granulation, an atomizable liquid (e.g. suspension, solution, emulsion or melt) is injected onto the fluidized solid granules resulting in a layered growth of the initial particles. The surface structure of particles produced in a fluidized bed process is defined by different process parameters, e.g. the spray rate and the gas temperature. The particle morphology later determines the product quality and its handling, e.g. the dispersibility of the powder. This project aims to understand the interaction between material properties, process parameters and product properties and to produce particles with tailor-made functionality for application in other projects of the collaborative I3 lab “Smart Reactors”.

(19. März 2021)

Optimierung robuster Liegeplatzpläne mit Hilfe von Machine Learning

Globale Lieferketten verbinden Produktionsstandorte auf der ganzen Welt und sorgen dafür, dass auch Produkte, die zum Beispiel auf einem anderen Kontinent gefertigt werden, schnell und sicher beim Verbraucher eintreffen. Dabei spielt der Seeverkehr eine große Rolle, denn über 80 % des weltweiten Warenhandels werden über Häfen abgewickelt. Häufig werden Container für den Transport der Waren eingesetzt. So wurden im Jahr 2019 weltweit insgesamt 152 Millionen Standardcontainer (Twenty-foot Equivalent Units, TEU) per Schiff transportiert (UNCTAD 2020). Containerschiffe können eine große Anzahl von Containern gleichzeitig transportieren. Dadurch reduzieren sich die Transportkosten pro Container und die umweltschädlichen Emissionen werden vermindert. Doch das große Handelsvolumen führt auch zu Herausforderungen für den Containerumschlag in Häfen und im Hinterlandverkehr.

(16. März 2021)

Smart Reactors–Additively Manufactured Lattice Structures (AMLS) for Tailoring Gas-Liquid Flows

The ever-increasing demands for resource- and climate-friendly processes in process engineering require innovative and flexible solutions for reaction control. However, new methods in the field of material sciences and additive manufacturing are now opening up completely new possibilities for equipping traditional processes with sensors and actuators and thus making them ”smarter". This is the main goal of the joint I3-Lab project "Smart Reactors", in which Additively Manufactured Lattice Structures (AMLS) are developed and their influence on fluid dynamics of a two-phase flow is investigated. The structures, e.g. Periodic Open-Cell Structures (POCS) as the simplest subclass of AMLS can be custom-made from various materials and adapted to the specific requirements of the selected process. AMLS can be used e.g. to define the bubble size and phase distribution inside a gas-liquid contactor depending on the cell geometry of the unit cell. 

(08. März 2021)

Shaken, not stirred: Design and application of particle dampers

Lightweight machine designs are becoming increasingly important these days to reduce energy consumption and natural resources. However, a smaller weight typically causes a decrease in stiffness and causing non-negligible vibration amplitudes. To reduce these vibrations active or passive damping techniques might be used. Both approaches are part of ongoing research at the Institute of Mechanics and Ocean Engineering at Hamburg University of Technology. To study these techniques the flexible robot FLEXOR, shown in Figure 1, is used. Large bending deformations occur in the robot’s links when the sliders are moving.

One sophisticated passive damping technique to reduce such vibrations is the use of particle dampers. Thereby containers attached to the vibrating structure are filled with granular material, as shown exemplarily in Figure 2. Due to the structural vibrations, momentum is transferred to the granular material which interacts with each other. As a result, energy is dissipated by impacts and frictional phenomena between the particles.

(01. März 2021)

Smart Reactors–Rethinking Reactor Design

Reactor design for chemical and bioprocess engineering has not changed much in the past decades, owing it to the robustness of both applied materials and the processes themselves. However, the ever-increasing modern-day productions in bio-/chemical industries demand higher flexibilities in process design and operation due to fluctuating raw material qualities, energy sources, personalized products, shorter cycle times and various other individual requirements. To tackle this challenge, a new generation of reactors with added functionalities need to be conceptualized. With the emerging availability of new fabrication technologies and functional materials, “smarter” reactors can be developed. “Smart” as in both smartly designed, by increasing space-time yields of traditional processes or process cascades, and also smart in a literal sense, where the regulation of the reactor during operation is handled autonomously without external monitoring. Within the i3 Lab project “Smart Reactors”, researchers from process engineering and material science departments are working together to develop such reactor concepts.

(23. Februar 2021)

Die Information-Bottleneck-Methode in der Corona Pandemie

Auch die Forschung am Institut für Nachrichtentechnik unter der Leitung von Prof. Gerhard Bauch wird durch die aktuellen Corona Maßnahmen stark beeinträchtigt. Normalweise forschen die Mitarbeiter zu modernen Übertragungstechnologien im Bereich 5G, Algorithmen zur Lokalisierung sowie dem Einsatz von Machine Learning zum Entwurf zukünftiger Kommunikationssysteme.<auch></auch>

Allerdings erlauben die verwendeten Methoden auch den Einsatz in generischen Fragestellungen und allgemeinen Anwendungen im Bereich Big Data. Im Rahmen seiner Projektarbeit beschäftigte sich Semir Cömertpay zusammen mit seinem Betreuer Maximilian Stark mit dem Einsatz der Information Bottleneck Methode zur Bekämpfung der Covid19 Pandemie.

(16. Februar 2021)

Cold and pressure: a successful duo for processing of sustainable porous materials

In an effort to tackle pollution in seas, fields and waterways, the European parliament has overwhelmingly supported a wide-ranging ban on single-use plastics. This trend on minimizing the dependency on synthetic crude-oil derived plastics is also echoed by chemical industry, both in Europe and worldwide.

One research line of our laboratory is to develop high performance porous materials, in particular, for thermal and sound insulation, for example, for buildings, clothing, aircrafts and packaging. The focus here is on the use of natural and renewable sources of biopolymers. 

(08. Februar 2021)

Developing data-driven models to identify environmentally friendly degradation modulators

Magnesium (Mg) bears versatile material properties and great potential to become the material of the future as it can be used in a variety of applications. It can be employed as structural material in  the aerospace and automotive industries, as a base material for bioabsorbable medical implants and as an anode material for primary batteries (see Figure 1). Among the biggest challenges in this context is gaining control over corrosion properties to unlock the full potential of magnesium for a specific target application. For example, for transportation applications, degradation of the material must be prevented to avoid critical material defects. In this area in particular, environmentally friendly alternatives to the very efficient but highly toxic Cr(VI) corrosion protection strategies must be found, as their use will be banned in the near future due to a new REACH regulation. For medical applications, the degradation rate of the material must be modified to allow the injury to heal before the implant dissolves. Finally, for battery applications, continuous dissolution of the anode material must be ensured to keep the battery voltage constant. Consequently, benign degradation modulating strategies are required.

(01. Februar 2021)

Transportroboter Laura auf dem autonomen Bus
(Forschungsprojekt TabuLa)

Der Betrieb des autonomen Buses (Forschungsprojekt TabuLa) in der Stadt Lauenburg/Elbe wurde durch den Lieferroboter Laura (Forschungsprojekt TabuLa-LOG) erweitert. Laura liefert Behördenpost in der Stadt aus und nutzt dazu den Bus als Mitfahrer.

Der Transportroboter wurde vom Institut für Technische Logistik extra für diesen Anwendungsfall entwickelt und begleitet den Bus auf seinen Fahrten. Dr. Johannes Hinckeldeyn erklärt in seinem Interview im NDR, welche Aufgabe der Transportroboter erfüllt und wie die Zukunft der autonomen Lieferrobotern aussehen könnte. Partner des Projekts sind u.a. die Technische Universität Hamburg, die Verkehrsbetriebe Hamburg-Holstein sowie der Kreis Herzogtum Lauenburg. Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur.

Der Beitrag vom NDR Fernsehen können Sie unter folgenden Links ansehen:

Weitere Informationen zum Shuttle und Projekt sind zu finden unter:

(21. Januar 2021)

Composites from Spouted-Bed Granulation Process 

Many of natural materials show very interesting mechanical properties for technical applications. For this reason, the structure of these materials has been investigated during the last decades very well. A typical example of such a damage tolerant natural material is nacre. Nacre consists of about 95 vol.% calcium carbonate and about 5 vol.% of polymeric material. [1] Because of the remarkable mechanical properties of natural materials many attempts are made to reconstruct this complex hierarchical structural design. The production of a tailor-made highly-filled composite materials is the main aim of the “Sonderforschungsbereich SFB 986 M3”, which starts in the third funding period next year. In subproject A3 a novel processing routes based on fluidization of particles are developed and optimized and the mechanical properties of produced highly filled ceramic-polymer and metal-polymer composites are investigated. For the composite production, a spouted bed is used to coat fine iron oxide particles with a polymeric film. The spouted bed is a special form of the fluidized bed with the difference that the gas is supplied via a narrow gap instead of a porous distributor plate. As a result, higher shear forces and fluidization velocities are achieved and thus very fine, cohesive and as well very coarse and heavy particles can be fluidized.

(18. Dezember 2020)

Press Releases

Augmented Reality basierte digitale Assistenzsysteme.

Europäischen Schiffbau mit neuen Technologien wettbewerbsfähiger machen

Der europäische Schiffbau punktet nicht nur in Sachen Qualität, sondern auch durch kundenspezifische Anpassungen. Doch kostengünstigere Konkurrenzangebote aus dem Ausland machen es vor allem kleinen und mittleren Werften schwer, wettbewerbsfähig zu bleiben. Wissenschaftler der Technischen Universität Hamburg untersuchen nun mit weiteren europäischen Partnern, wie die Produktion und Fertigung von Schiffen beispielsweise durch Augmented Reality, den Einsatz von Robotern oder auch 3D-Druck verbessert werden kann. Forschungsschwerpunkt des TU-Teams liegt auf der Entwicklung von tragbaren und direkt am Schiff einsetzbaren Augmented (AR) sowie Mixed Reality (MR) Tools. Damit sollen Werftarbeiter bei der Montage, bei Modernisierungsarbeiten oder auch im Bereich der Qualitätssicherung und Wartung vor Ort unterstützt werden. „Mit Hilfe von AR oder MR können wir virtuelle Objekte sowie Handlungsanweisungen und Messwerte über ein Livebild der Kamera …

(29. March 2021)
The scientists in Geesthacht are researching, among other areas, efficient and compact storage options for hydrogen at low pressures and surrounding temperatures, as here in this metal hydride storage tank.

Infrastructure for hydrogen aircraft - airplane production becomes climate-neutral - City of Hamburg funds hydrogen study for aviation led by Helmholtz-Zentrum Geesthacht

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Geesthacht - Center for Materials and Coastal Research (HZG) and the Hamburg University of Technology are collaborating with Airbus to develop an overall concept for the aviation of the future. The project is called "Green Operation for Future Aviation" and is funded by the City of Hamburg with almost 1.4 million euros. The aim is to supply a production site with hydrogen cost-effectively and efficiently, using the Airbus site in Hamburg-Finkenwerder as an example. German climate policy aims to reduce emissions of greenhouse gases such as CO2 by 80 to 95 percent by 2050 compared with 1990 levels. Until then, there are many intermediate targets.

(18. March 2021)
Masterstudent Semir Cömertpay der TU Hamburg analysiert mit Hilfe der Information-Bottleneck-Methode die Rohdaten des RKI auf die Frage hin, ob ein Mensch in Folge einer Corona-Infektion stirbt oder nicht.

Daten bündeln und erhalten - Was Corona-Fallzahlen über vulnerable Gruppen verraten

Maximilian Stark ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter am TU-Institut für Nachrichtentechnik und forscht dort an den Kommunikationssystemen der Zukunft. Dafür nutzt der TU-Wissenschaftler Methoden des maschinellen Lernens, zum Beispiel die sogenannte Information-Bottleneck-Methode. Mit ihr lassen sich Daten nach bestimmten Kriterien bündeln. Im Rahmen einer Studienarbeit wollte Stark nun gemeinsam mit dem Masterstudenten Semir Cömertpay herausfinden, ob diese Methode auch auf die deutschlandweiten COVID-19-Fallzahlen des Robert Koch Instituts angewendet werden kann. Ein besonderer Fokus lag hierbei auf der Identifikation von besonders gefährdeten, vulnerablen Bevölkerungsgruppen. Sterberisiko nach Alter und Geschlecht In der Berichterstattung heißt es häufig, dass ältere Menschen ein höheres Risiko haben, an einer Corona-Infektion zu sterben als jüngere. „Eine bipolare Unterteilung nur in Jung und Alt wird unserer Gesellschaft allerdings nicht ganz gerecht und genau hier setzt unsere Forschung an“, erklärt Stark.

(15. March 2021)
Shan Shi, research associate at TU Hamburg and lead author of the study. Photo: HZG/Gesa Seidel

Team develops new process for building ultralight materials

As light as possible and as strong as possible at the same time. These are the requirements for modern lightweight materials, such as those used in aircraft construction and the automotive industry. A research team from Hamburg University of Technology and Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) has now developed a new materials' design approach for future ultralight materials: Nanometer-sized metal struts that form nested networks on separate hierarchical levels provide amazing strength. The research group presents its findings in the current issue of the journal “Science”. When the Eiffel Tower was inaugurated in 1889, it was considered a technical marvel. Its artful and delicate arrangement of large and small iron girders provided extraordinary stability and made sure it became the world’s tallest building at the time by a long shot. “Hierarchical” is what experts call the engineering approach of an open array of larger beams braced by smaller ones.

(05. March 2021)
Patrick Huber, Professor and head of the Physics and High-Resolution X-ray Analytics of Functional Materials research group at TU Hamburg and DESY. Credit: TU Hamburg

Sustainable electrical energy harvesting with nanoporous materials - EU-funded research project could revolutionise the generation of electrical energy by using phase transitions of water in nanopores

Nature has developed porous biomaterials, especially in the plant kingdom, which can directly gain mechanical energy for movement from moisture changes in their environment, such as between day and night or between dry and rainy seasons. For example, some plant germs bury themselves autonomously in the soil only by using water condensation and evaporation energy, without requiring any external energy. As part of a European consortium, researchers at TU Hamburg now want to develop artificial porous materials and nanofluidic processes that utilise moisture fluctuations in such natural processes, but also in technical processes, in order to generate electrical energy that can be used directly by humans. Solution: Nanoporous materials and phase transitions of aqueous electrolytes The solution could be a radically new technology.

(23. February 2021)
Der kleine Transportroboter Laura soll in Zukunft völlig selbständig die Behördenpost der Stadt Lauenburg ausliefern.

Postbotin der Zukunft - Autonomer Transportroboter Laura in Lauenburg unterwegs

Seit über einem Jahr fährt das autonome TaBuLa-Shuttle durch die Lauenburger Straßen. Nun hat der selbstfahrende Elektrobus mit Laura eine neue Kollegin dazu gewonnen. Bei Laura handelt es sich allerdings weder um eine Co-Pilotin noch um eine Fahrgastbetreuerin. Laura ist ein kleiner Transportroboter und steht für Lauenburgs Automatisierte Roboter Auslieferung. In Zukunft soll sie völlig selbständig die Behördenpost der Stadt ausliefern. Entwickelt, programmiert und gebaut wurde Laura am Institut für technische Logistik an der Technischen Universität Hamburg. Das Institut für Verkehrsplanung und Logistik ist für die logistischen Prozesse hinter dem Projekt und die Projektkoordination verantwortlich. Der Transportroboter befindet sich seit Ende letzten Jahres in der Testphase. Genau wie das TaBuLa-Shuttle bewegt sich Laura selbstfahrend und automatisiert durch die Lauenburger Innenstadt.

(05. February 2021)
Beispielbild für Offshore-Windenergiesysteme.

Energiespeicher Wasserstoff - Verbundprojekt entwickelt Offshore-Windenergiesysteme für die Wasserstoffversorgung

Die rund 35 Offshore-Windparks vor Deutschlands Nord- und Ostseeküsten lieferten 2019 etwa 26 Terawattstunden Strom. Genug, um die Stadt Hamburg zwei Jahre lang mit Strom zu versorgen. Das Problem: Weht zuviel Wind, geht ein Teil der potenziellen Energie verloren, weil die Anlagen abgeschaltet werden, sobald mehr Strom erzeugt als benötigt wird. Um Windenergie künftig auch wetterunabhängig optimal nutzen zu können, soll sie in Form von Wasserstoff gespeichert und an Land weiter verwendet werden. Ein Verbundprojekt entwickelt die passenden Technologien und Methoden, um Offshore-Windräder durch eine Einrichtung zur Wasserstofferzeugung zu erweitern. Indem aus dem überschüssigen Wind künftig Wasserstoff erzeugt wird, erhöht sich die Ausbeute der Windkraft. Wasserstoff wird zum Speichermedium für Windenergie.

(13. January 2021)
From left to right: Professor Gerold Schneider of TU Hamburg, Assistant Professor Diletta Giuntini of TU Eindhoven and Dr. Tobias Krekeler of TU Hamburg. Photos: private

As hard as a diamond and as deformable as metal - TU-scientists develop new material for tomorrow's technology

Smartphones with large glass housings and displays are impressive, but they are also very prone to get cracked and scratched. To prevent these kinds of damages, a material combining the hardness of diamond and the deformability of metals would be ideal – and is indeed considered the holy grail of structural materials. Professor Gerold Schneider of the Hamburg University of Technology and other Hamburg materials researchers, together with colleagues in Berkeley, California, have now developed a hybrid material, a so-called supercrystal, that comes closer to achieving this goal. Such a material has the potential to make technology in areas such as electronics, photonics and energy storage more robust and cost-effective. Deformable material made of nanoparticles In collaboration with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Geesthacht and the University of California, Berkeley, the research team led by Professor Gerold Schneider has discovered that nanoparticles …

(12. January 2021)
Professor Knopp bei der Messung von MPI-Bildern mit dem vom Institut für Biomedizinische Bildgebung entwickelten Kopfscanner.

Der Blick in Herz und Kopf - Professor Tobias Knopp forscht an medizinischen Bildgebungsverfahren

Was im Kopf und Herz so vorgeht, ist von Außen betrachtet nicht wirklich klar erkennbar. Das kann im persönlichen Miteinander manchmal von Vorteil sein, ist aus der medizinischen Perspektive betrachtet aber ein Problem. Unbeobachtet können sich Krankheiten wie Herzinfarkte oder Schlaganfälle schleichend ihren Weg bahnen und unerwartet ausbrechen. Professor Tobias Knopp von der Technischen Universität Hamburg und dem Universitätsklinikum Hamburg Eppendorf will diesem Problem entgegenwirken. Am Institut für Biomedizinische Bildgebung entwickelte er gemeinsam mit seinem Forschungsteam ein neues tomographisches Bildgebungsverfahren, das sogenannte „Magnetic-Particle-Imaging“ (MPI). „So wollen wir Einblicke in das Innere des menschlichen Körpers geben, damit Krankheiten früher erkannt und unnötige Operationen vermieden werden können“, sagt Professor Knopp.

(06. January 2021)
Hauptgebäude der TU Hamburg.

Bund stellt sechs Millionen Euro für zwei Studien bereit, um Hochwasserschutz und Nahverkehr an Hamburgs Elbe zu verbessern

Die Elbe ist eine Lebensader für Hamburg und die Metropolregion. Für den Nahverkehr ist sie jedoch ein Nadelöhr. Täglich pendeln rund 160.000 Fahrgäste mit S- und Regionalbahnen über die Elbbrücken und die Zahl steigt. Die Elbe hat zudem auch eine bedrohliche Seite. Immer wieder kam und kommt es zu Sturmfluten und extremen Hochwasserständen mit verheerenden Folgen. Wie ein nachhaltiger Hochwasserschutz und eine Entlastung der schienengebundenen Verkehrssituation gelingen können, soll nun die Technischen Universität Hamburg in zwei voneinander unabhängigen Machbarkeitsstudien erarbeiten. Dafür stellt der Bund jeweils drei Millionen Euro bereit. Eingesetzt hat sich dafür der Hamburger SPD-Bundestagsabgeordnete Metin Hakverdi. Wissenschaftssenatorin Katharina Fegebank: „Ich freue mich außerordentlich, dass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Hamburg abermals ihre große Expertise unter Beweis stellen können.

(14. December 2020)