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The SG1-mediated solution polymerization of methyl methacrylate (MMA) and oligo(ethylene glycol) methacrylate (OEGMA, Mₙ = 300 g mol⁻¹) in the presence of a small amount of functional/reactive styrenic comonomer is investigated. Moieties such as pentafluorophenyl ester, triphenylphosphine, azide, pentafluorophenyl, halide, and pyridine are considered. A comonomer fraction as low as 5 mol% typically results in a controlled/living behavior, at least up to 50% conversion. Chain extensions with styrene for both systems were successfully performed. Variation of physical properties such as refractive index (for MMA) and phase transition temperature (for OEGMA) were evaluated by comparing to 100% pure homopolymers. The introduction of an activated ester styrene derivative in the polymerization of OEGMA allows for the synthesis of reactive and hydrophilic polymer brushes with defined thickness. Finally, using the example of pentafluorostyrene as controlling comonomer, it is demonstrated that functional PMMA-b-PS are able to maintain a phase separation ability, as evidenced by the formation of nanostructured thin films.
For short take-off and landing (STOL) aircraft, a parallel hybrid-electric propulsion system potentially offers superior performance compared to a conventional propulsion system, because the short-take-off power requirement is much higher than the cruise power requirement. This power-matching problem can be solved with a balanced hybrid propulsion system. However, there is a trade-off between wing loading, power loading, the level of hybridization, as well as range and take-off distance. An optimization method can vary design variables in such a way that a minimum of a particular objective is attained. In this paper, a comparison between the optimization results for minimum mass, minimum consumed primary energy, and minimum cost is conducted. A new initial sizing algorithm for general aviation aircraft with hybrid-electric propulsion systems is applied. This initial sizing methodology covers point performance, mission performance analysis, the weight estimation process, and cost estimation. The methodology is applied to the design of a STOL general aviation aircraft, intended for on-demand air mobility operations. The aircraft is sized to carry eight passengers over a distance of 500 km, while able to take off and land from short airstrips. Results indicate that parallel hybrid-electric propulsion systems must be considered for future STOL aircraft.
Mechano-pharmacological testing of L-Type Ca²⁺ channel modulators via human vascular celldrum model
(2020)
Background/Aims: This study aimed to establish a precise and well-defined working model, assessing pharmaceutical effects on vascular smooth muscle cell monolayer in-vitro. It describes various analysis techniques to determine the most suitable to measure the biomechanical impact of vasoactive agents by using CellDrum technology. Methods: The so-called CellDrum technology was applied to analyse the biomechanical properties of confluent human aorta muscle cells (haSMC) in monolayer. The cell generated tensions deviations in the range of a few N/m² are evaluated by the CellDrum technology. This study focuses on the dilative and contractive effects of L-type Ca²⁺ channel agonists and antagonists, respectively. We analyzed the effects of Bay K8644, nifedipine and verapamil. Three different measurement modes were developed and applied to determine the most appropriate analysis technique for the study purpose. These three operation modes are called, particular time mode" (PTM), "long term mode" (LTM) and "real-time mode" (RTM). Results: It was possible to quantify the biomechanical response of haSMCs to the addition of vasoactive agents using CellDrum technology. Due to the supplementation of 100nM Bay K8644, the tension increased approximately 10.6% from initial tension maximum, whereas, the treatment with nifedipine and verapamil caused a significant decrease in cellular tension: 10nM nifedipine decreased the biomechanical stress around 6,5% and 50nM verapamil by 2,8%, compared to the initial tension maximum. Additionally, all tested measurement modes provide similar results while focusing on different analysis parameters. Conclusion: The CellDrum technology allows highly sensitive biomechanical stress measurements of cultured haSMC monolayers. The mechanical stress responses evoked by the application of vasoactive calcium channel modulators were quantified functionally (N/m²). All tested operation modes resulted in equal findings, whereas each mode features operation-related data analysis.
Seismic behavior of an existing unreinforced masonry building built pre-modern code, located in the City of Ohrid, Republic of North Macedonia has been investigated in this paper. The analyzed school building is selected as an archetype in an ongoing project named “Seismic vulnerability assessment of existing masonry structures in Republic of North Macedonia (SeismoWall)”. Two independent segments were included in this research: Seismic hazard assessment by creating a cite specific response spectra and Seismic vulnerability definition by creating a region - specific series of vulnerability curves for the chosen building topology. A reliable Seismic Hazard Assessment for a selected region is a crucial point for performing a seismic risk analysis of a characteristic building class. In that manner, a scenario – based method that incorporates together the knowledge of tectonic style of the considered region, the active fault characterization, the earth crust model and the historical seismicity named Neo Deterministic approach is used for calculation of the response spectra for the location of the building. Variations of the rupturing process are taken into account in the nucleation point of the rupture, in the rupture velocity pattern and in the istribution of the slip on the fault. The results obtained from the multiple scenarios are obtained as an envelope of the response spectra computed for the cite using the procedure Maximum Credible Seismic Input (MCSI). Capacity of the selected building has been determined by using nonlinear static analysis. MINEA software (SDA Engineering) was used for verification of the structural safety of the chosen unreinforced masonry structure. In the process of optimization of the number of samples, computational cost required in a Monte Carlo simulation is significantly reduced since the simulation is performed on a polynomial response surface function for prediction of the structural response. Performance point, found as the intersection of the capacity of the building and the spectra used, is chosen as a response parameter. Five levels of damage limit states based on the capacity curve of the building are defined in dependency on the yield displacement and the maximum displacement. Maximum likelihood estimation procedure is utilized in the process of vulnerability curves determination. As a result, region specific series of vulnerability curves for the chosen type of masonry structures are defined. The obtained probabilities of exceedance a specific damage states as a result from vulnerability curves are compared with the observed damages happened after the earthquake in July 2017 in the City of Ohrid, North Macedonia.
Modeling and upscaling of a pilot bayonettube reactor for indirect solar mixed methane reforming
(2020)
A 16.77 kW thermal power bayonet-tube reactor for the mixed reforming of methane using solar energy has been designed and modeled. A test bench for the experimental tests has been installed at the Synlight facility in Juelich, Germany and has just been commissioned. This paper presents the solar-heated reactor design for a combined steam and dry reforming as well as a scaled-up process simulation of a solar reforming plant for methanol production. Solar power towers are capable of providing large amounts of heat to drive high-endothermic reactions, and their integration with thermochemical processes shows a promising future. In the designed bayonet-tube reactor, the conventional burner arrangement for the combustion of natural gas has been substituted by a continuous 930 °C hot air stream, provided by means of a solar heated air receiver, a ceramic thermal storage and an auxiliary firing system. Inside the solar-heated reactor, the heat is transferred by means of convective mechanism mainly; instead of radiation mechanism as typically prevailing in fossil-based industrial reforming processes. A scaled-up solar reforming plant of 50.5 MWth was designed and simulated in Dymola® and AspenPlus®. In comparison to a fossil-based industrial reforming process of the same thermal capacity, a solar reforming plant with thermal storage promises a reduction up to 57 % of annual natural gas consumption in regions with annual DNI-value of 2349 kWh/m2. The benchmark solar reforming plant contributes to a CO2 avoidance of approx. 79 kilotons per year. This facility can produce a nominal output of 734.4 t of synthesis gas and out of this 530 t of methanol a day.
Die qualitative und quantitative Detektion von Zielsubstanzen innerhalb einer wässrigen Probe ist für viele Fragestellungen von Interesse, etwa bei der Detektion von Kontaminationen in Trinkwasser in Krisensituationen. Hierbei ist es nicht nur wichtig, dass Pathogene möglichst sensitiv detektiert werden können, sondern auch, dass die Analyse schnell erfolgt, um Betroffenen im Katastrophenfall zügig sicheres Trinkwasser zu Verfügung stellen zu können. Da bei einem solchen Szenario nicht von einer in der Nähe befindlichen funktionierenden Laborinfrastruktur ausgegangen werden kann, ist es wichtig, dass die Messung direkt vor Ort erfolgen kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob eine derartige Schnellanalytik mithilfe von superparamagnetischen Beads (MBs) und der magnetischen Frequenzmischtechnik möglich ist. Dabei werden die MBs mit Hilfe von primären Antikörpern an die Zielsubstanz gebunden und mit sekundären Antikörpern an die Poren-Oberfläche eines Polyethylen-Filters fixiert (Sandwich-Immunoassay). So kann die Quantifizierung der Zielsubstanz auf eine magnetische Messung der immobilisierten MB-Marker zurückgeführt werden. Die magnetische Frequenzmischtechnik basiert auf der Anregung der Probe mit Magnetfeldern zweier verschiedener Frequenzen. Die durch die nichtlineare Magnetisierungsform der superparamagnetischen MBs entstehenden Mischfrequenzen werden typischerweise mithilfe einer zweistufigen Lock-in-Detektion analysiert (analoge Demodulation), die in einem Magnetreader als Handheldgerät realisiert wurde. Zusätzlich zu dieser Technik wurde das Prinzip der direkten Digitalisierung des gesamten Antwortsignals mit anschließender Fourier-Analyse der erzeugten Mischfrequenzen experimentell umgesetzt, um die Amplituden und Phasen mehrerer Mischfrequenzen simultan zu erfassen. Eine Möglichkeit zur Sensitivitätssteigerung ist die magnetische Aufkonzentration, indem vor der magnetischen Analyse eine Separation der MBs aus einem größeren Probenvolumen mittels magnetischem Feldgradienten durchgeführt wird. Zur Charakterisierung verschiedener kommerzieller MBs hinsichtlich ihrer magnetischen Separierbarkeit wurde ein Aufbau zur Messung ihrer magnetophoretischen Beweglichkeiten realisiert und ihre Geschwindigkeiten im Gradientenfeld mikroskopisch gemessen.Da eine Probe oftmals nicht nur auf eine einzige Zielsubstanz, sondern simultan auf mehrere verschiedene Pathogene hin untersucht werden soll, wurden verschiedene Ansätze entwickelt und getestet, die einen solchen multiparametrischen magnetischen Immunoassay ermöglichen. Einerseits wurde eine räumliche Separation der Bindungsbereiche für verschiedene Zielsubstanzen realisiert, die sequentiell ausgewertet werden können. Andererseits wurde die Unterscheidung von verschiedenen Zielsubstanzen anhand der Charakteristika der an sie gebundenen, verschieden funktionalisierten MB-Typen untersucht. Für eine solche Unterscheidung wurde zum einen die Anregefrequenz der magnetischen Frequenzmischtechnik während einer Messung variiert. Damit konnte gezeigt werden, dass sich verschiedene MB-Sorten anhand der Phase ihrer Frequenzmischsignale voneinander unterscheiden lassen. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich der Signalverlauf einer binären Mischung zweier verschiedener MB-Typen als gradueller Übergang der Verläufe der beiden reinen MB-Lösungen ergibt. Eine weitere Analysemethode für einen multiparametrischen Immunoassay besteht darin, ein zusätzliches einstellbares statisches magnetisches Offsetfeld zu verwenden. Hierfür wurden mehrere Aufbauten auf Basis von Permanent- und Elektromagneten simuliert, konstruiert und charakterisiert. Mithilfe von Simulationen konnte gezeigt werden, dass eine auf diesem Verfahren beruhende Unterscheidung für MBs mit unterschiedlichen magnetischen Partikelmomenten möglich ist. Als direkte Anwendung des hier entwickelten Magnetreaders in Zusammenspiel mit der digitalen Demodulation wurde ein magnetischer Assay gegen die B-Untereinheit des Choleratoxins in Trinkwasser mit einem niedrigen Detektionslimit von 0,2 ng/ml demonstriert.
Neue Perspektiven für die Bahn in der Produktions- und Distributionslogistik durch Prozessautomation
(2020)
Im Projekt Coolplan‐ AIR geht es um die Fortentwicklung und Feld‐ Validierung eines Berechnungs‐ und Auslegungstools zur energieeffizienten Kühlung von Gebäuden mit luftgestützten Systemen. Neben dem Aufbau und der Weiterentwicklung von Simulationsmodellen erfolgen Vermessungen der Gesamtsysteme anhand von Praxisanlagen im Feld. Eine der betrachteten Anlagen arbeitet mit indirekter Verdunstung. Diese Veröffentlichung zeigt den Entwicklungsprozess und den Aufbau des Simulationsmodells zur Verdunstungskühlung in der Simulationsumgebung Matlab‐ Simulink mit der CARNOT‐ Toolbox. Das besondere Augenmerk liegt dabei auf dem physikalischen Modell des Wärmeübertragers, in dem die Verdunstung implementiert ist. Dem neuen Modellansatz liegt die Annahme einer aus der Enthalpie‐ Betrachtung hergeleiteten effektiven Wärmekapazität zugrunde. Des Weiteren wird der Befeuchtungsgrad als konstant angesehen und eine standardisierte Zunahme der Wärmeübertragung des feuchten gegenüber dem trockenen Wärmeübertrager angenommen. Die Validierung des Modells erfolgte anhand von Literaturdaten. Für den trockenen Wärmetauscher ist der maximale absolute Fehler der berechneten Austrittstemperatur (Zuluft) kleiner als ±0.1 K und für den nassen Wärmetauscher (Kühlfall) unter der Annahme eines konstanten Verdunstungsgrades kleiner als ±0.4 K.