Leitung: Prof. Dr.-Ing. Michael Schlüter

Laufzeit: seit 2023

Homepage des SFB 1615

Zur Bewältigung des Klimawandels und zur Schaffung widerstandsfähigerer Lieferketten ist eine Umstellung von fossilen Rohstoffen auf nachwachsende Rohstoffe unverzichtbar. Nachwachsende Rohstoffe schwanken jedoch saisonal und regional in ihrer Verfügbarkeit und Qualität (auch aufgrund (geo)politischer Krisen). Daher benötigt die Gesellschaft dringend Verfahren und Reaktoren, die flexibel auf schwankende Eigenschaften von Rohstoffen reagieren können. Um eine solche Anpassung zu ermöglichen, ist ein hohes Maß an Prozesskontrolle erforderlich: Drücke, Temperaturen, Konzentrationen und dispergierte Phasen müssen innerhalb der Reaktoren kontinuierlich und lokal mit geeigneten Sensoren überwacht und unmittelbar während des Betriebs angepasst werden. Dies erfordert ein tiefes und grundlegendes Verständnis aller relevanten Transportprozesse und Reaktionsschritte, um eine schnelle und zuverlässige Modellierung und Simulation für eine operando und in situ Prozessoptimierung zu gewährleisten.

Durch die Grundlagenforschung in diesem SFB werden neue Technologien für SMARTe-Reaktoren entwickelt, die erneuerbare Ressourcen (Sustainable), in verschiedene Produkte umwandeln können (Mehrzweckreaktoren) und die Autonom (selbstanpassend) agieren, was zu Resilienteren Prozessen führen wird, die besser zwischen Skalen und Standorten Transferierbar sind. In unserer Vision kann der autonome Reaktor lokale Prozessbedingungen in situ mit integrierten Sensoren erfassen und chemische und/oder elektrische Signale direkt an flexible Komponenten im Reaktor (Aktuatoren) weiterleiten. Diese Aktuatoren verändern ihre Eigenschaften (z.B. Geometrie, Struktur, elektr. Leitfähigkeit) und beeinflussen damit die Prozessbedingungen positiv. In diesem SFB wird daher untersucht, wie lokale Prozessbedingungen in Reaktoren erfasst, in Modelle gewandelt und durch lokale Maßnahmen optimiert werden müssen, um trotz der schwankenden Qualität nachwachsender Rohstoffe stets optimale Prozessbedingungen mit konstanter Produktqualität und maximaler Ausbeute sicherzustellen. Als beispielhafte Reaktion aus der Wasserstoffwirtschaft wird die Hydrogenolyse von Glycerin zu Propandiolen herangezogen, die biochemische, chemische und mechanische Umwandlungsschritte umfasst, beispielhaft für Fluid-Fluid- und Fest-Fluid-Systeme.

Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Verfahrenstechnik, Materialwissenschaft und Elektrotechnik mit Physikern, Chemikern, Mathematikern und Informatikern der Technischen Universität Hamburg sowie der HAW Hamburg, der Universität Hamburg, der Leuphana Universität Lüneburg, der Universität Freiburg, des Helmholtz-Zentrum Hereon (Geesthacht) und DESY ermöglicht die Bündelung von Know-how und einzigartigen Experimentiermöglichkeiten. Von den brillantesten Röntgenquellen der Welt zur Untersuchung kleinster Bausteine der Materie bis hin zum weltgrößten Magnetresonanztomographen zur Aufklärung von Prozessen in Mehrphasenreaktoren werden die Limitierungen zukünftiger Prozesse auf allen relevanten Skalen aufgespürt und überwunden. (Quelle: DFG GEPRIS)

Leitung: Prof. Dr. Gerold Schneider

Laufzeit: seit 2012

Homepage des SFB 986

Das langfristige Forschungsziel des SFB „Maßgeschneiderte multiskalige Materialsysteme – M³“ ist es, experimentelle Methoden zur Herstellung und Charakterisierung multiskalig strukturierter Materialien mit maßgeschneiderten mechanischen, elektrischen und photonischen Eigenschaften zu entwickeln. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat an der TUHH die Einrichtung des gemeinsam mit der Universität Hamburg und dem Helmholtz-Zentrum Geesthacht beantragten SFB genehmigt. Gemeinsames Ziel der insgesamt 21 beteiligten Wissenschaftler ist über die Fächergrenzen hinweg die Entwicklung völlig neuartiger Werkstoffe.

Multiskalige Strukturierung wird durch eine gezielte Anordnung einzelner Bausteine auf unterschiedlichen diskreten Längenskalen erreicht. Diese Bausteine bestehen aus polymeren, keramischen oder metallischen Materialien oder daraus zusammengesetzten strukturierten bzw. funktionalisierten Einheiten. Grundlage ist der Gedanke, dass komplexe – und insbesondere multiskalige und/oder hierarchische – Gefüge bzw. Materialsysteme durch den gezielten Einsatz alternativer Synthese- und Assemblierungsprozesse aus den Bereichen Chemie, Materialwissenschaften und Verfahrenstechnik maßgeschneidert hergestellt werden können. Diese Materialsysteme weisen neuartige Eigenschaftsprofile auf.
In den Projektbereichen des SFB 986 werden ausgehend von funktionalisierten elementaren Funktionseinheiten makroskopische hierarchische Materialsysteme aus Polymer, Keramik, Metall und Kohlenstoff (Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Aerographite) erzeugt, wobei die Längenskalen vom Atom bis zur Makroskala reichen (siehe Abb.). Die Materialsysteme der drei Projektbereiche unterscheiden sich einerseits in ihrer multiskaligen Struktur und andererseits in ihren funktionalen Eigenschaften. Während im Projektbereich A quasi-selbstähnliche Strukturen mit multifunktionalen Eigenschaften im Vordergrund stehen, zielt der Projektbereich B auf ‚integrierte’ nanostrukturierte mehrphasige Materialsysteme, die aufgrund des Gefügedesigns Festigkeit und funktionelle – insbesondere elektrische – Eigenschaften in sich vereinen. Im Projektbereich C liegt der Schwerpunkt auf hochgeordneten hierarchischen periodischen und aperiodischen Strukturen und deren photonischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen.

Das besondere Innovationspotential des SFB 986 liegt darin, quasi am Reißbrett makroskopische, multiskalig strukturierte Werkstoffe und Bauteile zu entwickeln, bei denen durch gezielten Austausch der Bausteine die Eigenschaften diskontinuierlich verändert werden können. Wenn es gelingt, dieses Konzept umzusetzen, werden völlig neuartige Materialfunktionen erwartet. (Quelle: DFG GEPRIS)

Sprecher an der TUHH: Dr. Sara Checa Esteban

Laufzeit: seit 2018 an Charité Berlin

Homepage SFB 1444

Der SFB 1444 konzentriert sich auf das Erforschen der Grundprinzipien der zellulären Selbstorganisation, die den Start der endogenen Knochenregeneration charakterisieren. Verletzungen und degenerative Erkrankungen des Bewegungsapparats übertreffen in ihrer Häufigkeit und in ihrer wirtschaftlichen Bedeutung für die Gesellschaft alle anderen chronischen Erkrankungen wie zum Beispiel Herz-Kreislauferkrankungen oder Krebs. Im SFB 1444 fokussieren wir auf die bemerkenswerte Regenerationsfähigkeit des Knochens, der seine strukturelle Integrität und Funktionalität durch ein fein balanciertes, dynamisches Zusammenspiel verschiedener biomechanischer, zellulärer und molekularer Faktoren wiederherstellen kann. Im Gegensatz zu fast allen anderen Geweben kann Knochen selbst nach schweren Verletzungen ohne Narbenbildung heilen, was ihn zu einem idealen Modellsystem für die Untersuchung endogener Regenerationskaskaden macht. In der ersten Förderperiode wurden durch den SFB Schlüsselmechanismen der Knochenheilung identifiziert wie eine fein-balancierte Entzündungsreaktion, eine mechano-biologische Steuerung der Gewebeformation und Organisation, eine schnelle Adaptation der metabolischen Kommunikation aller Zellen im Frakturbereich und das enge Wechselspiel dieser drei Mechanismen während einer erfolgreichen, zellulären Selbstorganisation. Ein Grundverständnis dieser Mechanismen und ihrer Wechselwirkungen im gesunden, ob jung oder alt, erscheint essentiell für ein Verständnis möglicher therapeutischer Ansätze, wie personalisierter Behandlungsstrategien von verzögerten Heilungen oder Non-Unions. Aufbauend auf den bisherigen Erkenntnissen möchten wir nun in der zweiten Förderperiode untersuchen, wie unter beeinträchtigten Bedingungen wie einer übermäßigen Entzündungsantwort, einer verminderter Mechanosensorik oder bei gestörtem Stoffwechsel diese grundlegenden Mechanismen der Regeneration und ihr Wechselspiel verändert werden. Die übergreifende Hypothese des SFB 1444 ist, dass die frühe Phase der Knochenregeneration bereits den langfristigen Heilungserfolg definiert. Um besser die zellulären Wechselwirkungen entschlüsseln zu können, ergänzen wir in der zweiten Förderphase unsere Kompetenzen im Bereich räumliche Transkriptomik, Einzelzellanalyse und biotechnologischer Modellsysteme, um die räumliche und zeitliche Dynamik der zellulären Interaktionen entschlüsseln zu können, die für eine effektive Knochenheilung entscheidend sind. Wir entwickeln Lösungsansätze für die zunehmende Anzahl an Patienten mit komplexeren Erkrankungen, die eine Fraktur erleiden (Übergewicht, immuno-aged oder metabolische Erkrankungen). Unser multidisziplinärer Ansatz legt die Basis für weitere, personalisierte Therapieansätze und Patientenstratifikationen bei der Versorgung von verzögerter Heilung oder Non-unions, für die es bisher keine Lösungsansätze so gibt. (Quelle: DFG GEPRIS)

Sprecher an der TUHH: Dr. Alexander Schlaich

Laufzeit: seit 2018 an TU Dortmund

Homepage SFB 1333

Der SFB 1333 identifiziert und quantifiziert die Einflüsse von definierten, dirigierenden Geometrien auf chemische Katalysatoren. Ziel ist es diese Erkenntnisse zu nutzen, um die Prinzipien der Biokatalyse auf immobilisierte molekulare Katalysatoren in mesoporösen Materialien zu übertragen. Ziel ist es hybride Systeme zu generieren, die im Vergleich zu Enzymen ähnliche oder höhere Reaktivität und Selektivität zeigen. So können neuartige, hochgradig effiziente katalytische Reaktionen entwickelt werden, welche unter homogen- oder klassisch heterogenkatalytischen Bedingungen nicht oder nur ineffizient ablaufen.Zu diesem Zweck immobilisieren wir Organometall- bzw. Organokatalysatoren selektiv in den Poren definierter, mesoporöser Trägermaterialien. Besonders wichtig ist dabei die Reproduzierbarkeit der Katalysatorimmobilisierung um definierte, synergistisch operierende Hybride aus Katalysator und Trägermaterial realisieren zu können. Der Einfluss des Ordnungsgrades der Poren und der dirigierende Einfluss der Mesoporen auf die Leistungsfähigkeit der Katalysator-Trägermaterialhybride werden im SFB 1333 untersucht und die erzielten Ergebnisse werden mit denen der analogen homogen- und heterogenkatalytischen Systeme verglichen. Kontinuierliche Reaktionsführung im Flussreaktor erlaubt die Untersuchung des Einflusses von definierten dirigierenden Geometrien auf die Reaktionskinetik und Selektivität der katalytischen Reaktionen unter Durchfluss-Bedingungen. Um all diese Effekte definierter, dirigierender Geometrien eindeutig identifizieren, zuordnen und quantifizieren zu können, steht im SFB 1333 eine breite Palette an hochentwickelten analytischen Methoden und Simulationstechniken zur Verfügung.In der zweiten Förderperiode werden wir auf den bisher erzielten Ergebnissen aufbauen, indem wir die bis dato entwickelten Trägermaterialien verwenden und die Bandbreite an katalytischen Reaktionen stark erweitern. Darüber hinaus werden wir erste Schritte in Richtung technischer Anwendung gehen, indem der Einfluss unterschiedlicher Reaktorkonzepte auf die Katalysen in definierten dirigierenden Geometrien untersucht wird. Im analytischen Bereich werden wir weiter jene Analysemethoden verwenden und weiterentwickeln, welche sich in der ersten Förderperiode als essentiell herausgestellt haben, gleichzeitig aber auch neue analytische Methoden nutzen. Theorie und Simulation modellieren katalytische Prozesse über alle Längenskalen, beginnend mit Elektronenstrukturmethoden, über atomistische und vergröberte Molekulardynamik bis hin zu Kontinuumstheorien. Erweitert wird unser Repertoire unter anderem um maschinelle Lernverfahren zur ab-initio-Modellierung von Materialien. Für alle diese Forschungsfelder werden wir maßgeschneiderte Forschungsdatenformate implementieren und damit den Weg für eine interoperable ganzheitliche Strategie des Datenmanagements in der Katalyseforschung nach den F.A.I.R.-Prinzipien bereiten. (Quelle: DFG GEPRIS)

Sprecher für die TUHH: Prof. Timm Faulwasser

Laufzeit: seit 2024 an TU Dortmund

Homepage

Der Sonderforschungsbereich/Transregio TRR 391 modelliert, schätzt und prognostiziert raum-zeitliche Prozesse in ökonomischen und technischen Anwendungen. Er nutzt die formale Ähnlichkeit relevanter statistischer Probleme für methodische Synergien und entwickelt Schlüsseltechniken für die Analyse raum-zeitlicher Daten, die effiziente datenbasierte Entscheidungen bei der Energie- und Verkehrswende ermöglichen. Die Reduzierung von CO2-Emissionen und der Übergang zu erneuerbaren Energien sind wichtige globale Herausforderungen. Dabei betreffen Entscheidungen zur Organisation der Energie- und Verkehrswende viele Aspekte unseres zukünftigen Lebens. Damit diese Maßnahmen gesellschaftlich akzeptiert werden, müssen ihre positiven Auswirkungen mögliche negativen Folgen zum Beispiel auf Beschäftigung, Mobilität, Versorgung mit Gütern oder Energiekosten überwiegen. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, müssen Entscheidungen auf sicheren empirischen Erkenntnissen beruhen, damit ihre Auswirkungen auf ganze Volkswirtschaften, internationale Organisationen und den Alltag der Menschen genau vorhergesagt werden können. Die zunehmende Digitalisierung liefert hierfür stetig wachsende Datenmengen, die an vielen Orten und Zeitpunkten erhoben werden. Die Gewinnung relevanter und zuverlässiger Erkenntnisse aus solchen umfangreichen Raum-Zeit Daten stellt die Statistik vor große Herausforderungen. Diese erfordert nicht nur eine genaue Modellierung der verschiedenen Arten zeitlicher und räumlicher Abhängigkeiten, sondern auch die Entwicklung neuartiger statistischer Ansätze und maschineller Lernverfahren. Im TRR 391 entwickeln wir innovative statistische Methoden für die Analyse von Raum-Zeit Daten zur Unterstützung datenbasierter Entscheidungsfindung in wichtigen technologischen und wirtschaftlichen Bereichen. Anhand eines breiten Spektrums hochrelevanter prototypischer Anwendungen aus den Bereichen Energie und Verkehr verfolgen wir eine gemeinsame Perspektive, identifizieren formale methodische Ähnlichkeiten und nutzen so Synergien für die Entwicklung grundlegender statistischer Theorien und neuer Methoden für Raum-Zeit-Daten. Dieser interdisziplinäre Ansatz erlaubt uns, innovative datenanalytische Lösungen für konkrete Problemstellungen zu konstruieren, die einerseits den aktuellen Stand der Technik substanziell verbessern und andererseits neue methodische Entwicklungen anstoßen. Unter anderem werden unsere Ergebnisse die Entscheidungsfindung durch neue Simulationswerkzeuge zur Modellierung von Transportlogistik, durch präzise Vorhersagen der Produktion von Wind- und Solarenergie und durch eine zuverlässigere Steuerung von elektrischen Energienetzen unterstützen. Sie werden zu einem besseren Verständnis des individuellen Energieverbrauchs und Mobilitätsverhaltens beitragen, die Auswirkungen von umweltpolitischen Entscheidungen auf Energiepreise aufzeigen und die Steuerung von Logistik- und Lieferkettennetzen verbessern. (Quelle: DFG GEPRIS)

Sprecher für die TUHH: Prof. Alexander Kölpin

Laufzeit: seit 2021 an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Homepage

Das auf zwölf Jahre ausgelegte Forschungsprogramm des SFB EmpkinS (Empatho-Kinaesthetic Sensor Technology – Sensor Techniques and Data Analysis Methods for Empatho-Kinaesthetic Modeling and Condition monitoring) befasst sich mit dem Rückschließen auf Regelkreise des Körpers aus Körperbewegungen. Das Institut für Hochfrequenztechnik (E-3) der TUHH ist für die Herzkreislaufdiagnostik mit Radar zuständig.

Sprecher für die TUHH: Prof. Thomas Rung

Laufzeit: seit 2016 an der Universität Hamburg

Homepage

Die derzeitigen Klimamodelle weisen bei der Simulation des gegenwärtigen Klimas große systematische Fehler auf, die auch in den neuen, sehr hoch aufgelösten gekoppelten Klimasimulationen nicht reduziert werden. Diese Fehler gehen einher mit energetischen Inkonsistenzen – in der Größenordnung des Ungleichgewichts des Energiehaushalts der Erde aufgrund der anthropogenen Treibhausgasemissionen – die durch energetisch inkonsistente Parametrisierungen von nicht aufgelösten Prozessen und der Modellnumerik entstehen. Da diese Fehler die Fähigkeit des Modells zur Klimavorhersage reduzieren, zielt dieser TRR darauf ab, diese Unzulänglichkeiten zu beheben, durch Entwicklung des notwendigen Prozessverständnisses für die Energietransfers in der Atmosphäre und im Ozean, um konsistentere neue Parametrisierungen zu entwickeln; die Entwicklung, Implementierung und Validierung der neuen Parametrisierungen in Ozean-, Atmosphären- und gekoppelten Modellen; und die Entwicklung numerischer und mathematischer Methoden, die eine konsistente Energetik aufweisen. Dieser TRR vereint Expertise in physikalischer Ozeanographie und Meteorologie, numerischer Modellierung und Mathematik, um die zwei nationalen Klimamodelle mit den besten und energetisch konsistentesten Parametrisierungen und numerischen Verfahren auszustatten, um ihre Vorhersagefähigkeiten zu verbessern und die systematischen Fehler bei der Simulation des derzeitigen Klimas zu verringern. Im Rahmen des TRR wurden bereits erfolgreiche Schritte zur Erreichung unseres Ziels energetisch konsistenter und verbesserter Atmosphären- und Ozeanmodelle unternommen. Wir schlagen vor, in der letzten Phase des TRR unter dem Motto „von Genauigkeit zur Anwendung" die Modelle mit den neuen Parametrisierungen und der Numerik auszustatten, die in den früheren Phasen entwickelt wurden. Neue physikalische und mathematische Konzepte und ein tieferes Verständnis unter Berücksichtigung neuer wichtiger Prozesse und des gesamten gekoppelten Systems werden in der letzten Phase zu energetisch konsistenten gekoppelten Klimamodellen führen. (Quelle: DFG GEPRIS)