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    I³-Junior-Project – e-gnition
    Die Formula Student ist der größte Ingenieurwettbewerb der Welt, bei dem es darum geht, die akademische Bildung der Studierenden um praktische Erfahrungen zu erweitern. Zur Teilnahme baut jedes Team einen selbst entwickelten Prototyp-Rennwagen, welcher über ein Jahr konzipiert und gefertigt wird. Besonders die eigene Fertigung ermöglicht es den Studierenden die theoretischen Inhalte einer Vorlesung in der praktischen Arbeit Umzusetzen. Bei den Events am Ende einer Saison treten Teams aus der ganzen Welt in dynamischen und statischen Disziplinen gegeneinander an. Der e-gnition Wagen fährt elektrisch mit einem eigens entwickelten Akku. Darüber hinaus fährt der Wagen mit Hilfe sogenannter LiDAR Sensoren vollautonom ohne einen Fahrer. Dadurch tritt das Team bei den Events zusätzlich in der Driverless Kategorie (DV) an. Die Software für das Autonome Fahren ist ebenfalls selbst entwickelt.
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    Mechanisms of thermoset plasticity explained on the basis of spectroscopic analysis and atomistic simulations
    Eine unerwartete Besonderheit stellt bei Epoxidharzen die zunehmende Duktilität mit reduziertem Prüfvolumen dar. Dies wurde für unterschiedliche Epoxid-Harzsysteme in Form von mikroskopischen Fasern bereits nachgewiesen. Diese wiesen unter mechanische Last kein für das Material typisches sprödes Versagensverhalten auf, sondern ein duktiles Verhalten mit ausgeprägter Einschnürung. Die Duktilität bzw. die Bruchdehnung stieg bei den Untersuchungen mit abnehmendem Prüfvolumen an. Die reproduzierbare Herstellung von dünnen EP Filmen mit konstanter Dicke ist herausfordernd, erlaubt aber auf der anderen Seite die Untersuchung mittels Durchlichtinfrarotspektroskopie. Bei ersten mechanischen Untersuchungen von mikroskopischen Folien (d = 50 µm) aus Epoxidharz bildet diese unter Belastung Scherbänder aus und schnürten sich ebenfalls ein. Es gibt bisher keine vollständige Erklärung für diesen Effekt im Sinne der Plastizität. Aus diesem Grund werden die physikalischen, mechanochemischen und molekularen Mechanismen den damit verbundenen Spröd-Duktil-Übergang im Epoxidharz unter Last innerhalb dieses Projektes untersucht. Die Epoxidharzfolien mit reproduzierbaren, konstanten und einstellbaren Dicken werden ausgewählt, um Informationen über die molekularen Mechanismen, ihre Wechselwirkungen und das daraus resultierende makroskopischen mechanischen Verhalten zu erhalten. Mittels Infrarot Spektrometrie ist es möglich, durch spektrale Änderungen und Peak Verschiebung unter Last, Informationen über die inter- und intramolekularen Mechanismen zu erhalten, die während der in-situ mechanischen Prüfung wirken. Durch molekulardynamische Simulationen kann dann auf explizite molekulare Vibrationen bzw. Konfigurationen zurückgeschlossen werden. Dieser Dreiklang von Methoden, d.h. KI-geleitete Interpretation von IR-Spektren unter Verwendung idealisierter MD-Simulationsmodelle in Verbindung mit Experimenten an dünnen Epoxidfilmen, bietet die Möglichkeit, molekulare Prozesse der Plastizität in kleinen Volumen von Epoxiden zu verstehen. Die KI-geleiteten Simulationen, die auf hinreichend detaillierten ab initio-Berechnungen beruhen und auch anharmonische Effekte einschließen, sind der Schlüssel zur Erklärung von IR-Peakverschiebungen und allgemeineren Veränderungen in den Spektren, die auf spezifische molekulare Wechselwirkungen zurückgeführt werden können, und stellen somit eine Verbindung zu experimentell gewonnenen Spektren aus In-situ-Tests an dünnen Epoxidfilmen her. Mit diesem dazu gewonnenen Know-how wird es möglich, das Verhalten der Matrix in Zwischenphasen (Faserverbund), dünnen Beschichtungen und Klebstoffen grundlegender zu verstehen und Epoxid in neuen technischen Anwendungen einzusetzen. Aus materialwissenschaftlicher Sicht könnte die hier vorgeschlagene Forschung neue Einsichten in den strukturellen Entwurf zukünftiger Verbundwerkstoffe bringen.
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    Development of toughening modifiers for the low-temperature application of epoxy resin systems using the example of CFRP hydrogen storage tanks.
    The shift in mobility toward greater sustainability in terms of drive technology is bringing about a change in the fuel to be used. In this context, "green" hydrogen plays a key role as an energy carrier both in the automotive sector and in rail-based transportation. An important prerequisite is the safe and loss-free storage of hydrogen in storage tanks, which, in order to save weight, must be made not of steel but of CFRP. When CFRP is used as the structural material, however, an additional metallic permeation barrier becomes necessary. The "liners" used for this purpose are characterized by a very good permeation barrier effect, although joining and adhesion of the liner to the fiber composite are often problematic. Other metallization processes, such as thermal spraying or electrodeposition, either have a lower barrier effect or are costly to process (electroplating). Currently, the properties of the metallic liner determine the service life of the H2 tank. The requirements in the mobility sector, on the other hand, are demanding and range from 35,000 to 50,000 cycles (fatigue). With many steels or titanium there is also the risk of hydrogen embrittlement and cracking. The aim is therefore to develop a solution without a metallic liner. In order to prevent losses of hydrogen through migration of the gas through the tank walls as far as possible, it is essential to use a matrix material for the fiber composite that, due to its own high toughness, has intrinsically little tendency to form microcracks and has a high impact strength in the event of impact loads, e.g. from an accident. The aim of the research is to develop and test suitable tougheners for low-temperature toughening and simultaneous high barrier effect of epoxy resin systems using the example of CFRP hydrogen storage tanks. In the context of this development work, computational science methods (data evaluation by means of neural networks) are also being tested as a forward-looking extension to proven procedures. Further keywords: CFRP, Thin-Ply, cryogenic temperatures, FEM, experiments Translated with www.DeepL.com/Translator (free version)
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    Umweltfreundliche flammhemmende Faser-Kunststoff-Systeme für Mobilitätsanwendungen auf Phosphororganischer Flammschutzmittel
    Eine wichtige Methode zur Gewichtseinsparung ist z. B. die Substitution von Materialien (Aluminium und Titan durch Polymere und faserverstärkte Kunststoffe (FVK)) in der Flugzeugstruktur und im Innenraum. Gerade in der letztgenannten Anwendung geht dies mit strengen Anforderungen an die generelle chemische Unbedenklichkeit der verwendeten Polymeren und insbesondere deren Entflammbarkeits-, Rauch- und Toxizitätseigenschaften (FST) einher. Bestehende Werkstoffe wie Phenolharze weisen zwar gute FST-Eigenschaften auf, zeigen aber auch erhebliche Nachteile hinsichtlich der Gesundheitsverträglichkeit in der Anwendung und der mechanischen Eigenschaften sowie hinsichtlich der Herstellbarkeit in automatisierten Prozessen. Diese Umstände verdeutlichen, dass die Entwicklung neuer FST-Materialien und neuer Prozesstechnologien von grundlegender Relevanz sind. Um solche neuen FST-Materialien entwerfen zu können, muss zudem ein umfassendes Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Zersetzungs-Beziehungen gewonnen werden. FST-Materialien beinhalten viele verschiedene chemische Substanzen, die sich in ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften, ihrer Toxikologie und ihrem Umweltverhalten stark unterscheiden. Ihre Gemeinsamkeit liegt daher nur in ihrem Ziel, nämlich die Entflammbarkeit von Materialien herabzusetzen. In der Arbeit sollen Konzepte zum umweltfreundlichen Flammschutz von Epoxidharzen und deren Faserverbunde erarbeitet werden. Dafür wird beispielsweise der Flammschutzmittelanteil verringert.
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    SPP 2240: Chemoenzymatic reaction cascade in an All-in-One electrochemical system with in situ supply of H2O2 for biosynthesis in aqueous and organic media
    Chemoenzymatic reaction cascades have a great potential for biosynthesis and sustainability, especially when coupled with the latest advances in electrochemical systems and material sciences. This envisaged project connects the expertise of three truly interdisciplinary groups in biocatalysis, bioprocess engineering, bioelectrochemical systems (BES) and nano-materials in a unique way to address fundamental challenges in developing a novel and individually optimizable platform for hydrogen peroxide-dependent enzymatic cascade reactions. H2O2 plays an important role as a green and powerful co-substrate or co-factor in the biosynthesis of a vast variety of value-added products and can be electrochemically efficiently generated from H2O and O2 as demonstrated in conventional BES with three-electrodes. One of the first objectives of this project is to develop a fully controllable BES for in situ and on-demand synthesis of H2O2 based on a novel All-in-One (AiO) electrode developed recently by one of the project partners. To realize a controlled H2O2 generation in the AiO electrode with high energy efficiency, highly porous carbon foams coated with carbon nanotubes (CNTs) will be designed and tailored by a sophisticated novel CVD process, yielding low density (20 mg/cm3) and high conductive hierarchical porous structure. H2O2 generated in such a controlled way is instantly used by enzymatic oxyfunctionalization in multistep chemoenzymatic reaction cascades. The reaction systems aimed at will include a peroxidase catalyzed sequential hydroxylation towards the synthesis of hydroquinone in aqueous media as well as the simultaneous chemoenzymatic esterification and epoxidation towards epoxidized fatty acid esters in a solvent free organic environment (adapted Prilezhaev reaction). The mentioned reactions will be investigated using both free and immobilized enzymes on functionalized CNTs. This integrated approach is unique and promising in tackling one of the major issues in H2O2 -dependent enzymatic oxyfunctionalization, namely the lowered half-life time of enzyme activity in the presence of H2O2. By integrating the AiO-electrode in an organic reaction medium in situ H2O2 addition will be realized without the addition of water, omitting side reactions (e.g. in the Prilezhaev reaction). With a fine-tunable system in hand, the rates of electrochemical H2O2 synthesis and enzymatic H2O2 consumption can be tightly coupled, enabling a constantly low concentration of H2O2 during the whole cascade reaction. This will open up new possibilities to develop chemoenzymatic reaction cascades with improved enzyme stability and activity and a more stable entire process.
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