Wie kann die Komplexität der Feuerausbreitung realistisch modelliert werden?

Feuer-sicherheitsingenieurwesen stellt einen essenziellen Teilbereich der Sicherheitsingenieurwissenschaften dar, dessen Fokus auf der Prävention, Kontrolle und Begrenzung von Brandschäden liegt. Dabei gewinnen Feuer-Simulationen zunehmend an Bedeutung, da sie ermöglichen, Rauch- und Temperaturverteilungen in verschiedensten Szenarien vorauszusagen. Diese Simulationen basieren meist auf einer vorgegebenen zeitlichen Kurve der Wärmefreisetzungsrate, dem sogenannten Designfeuer, um das Brandverhalten zu modellieren. Doch die tatsächlichen physikalischen Prozesse von Verbrennung, Wärmetransport und Turbulenz sind höchst komplex, was die genaue Simulation zu einer Herausforderung macht.

Eine noch größere Herausforderung stellt die Simulation der tatsächlichen Feuer-Ausbreitung dar. Hier wird meist nur die Initialzündung vorgegeben, während die Wärmefreisetzungsrate lokal aus den physikalischen Gegebenheiten errechnet wird. Dabei können benachbarte Materialien durch Wärmeeintrag entzündet oder pyrolysiert werden. Solche Simulationen finden Anwendung etwa in der Bahnindustrie, um in der Planungsphase die Auswahl geeigneter Materialien für Sitze oder Verkleidungen zu unterstützen. Doch gerade hier bergen die erforderlichen Annahmen ein erhebliches Fehlerpotenzial, das die Zuverlässigkeit der Ergebnisse einschränkt.

Während Feuer-Sicherheitsvorschriften und Normen breit angewandt werden, existiert bislang kein einheitlicher Standard für Feuer-Ausbreitungssimulationen. Die Komplexität wird auch durch den Begriff der Entflammbarkeit illustriert, der mehrere Facetten umfasst: die Zündbarkeit eines Materials, die Intensität der Verbrennung, die Wärmefreisetzung, die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Feuers sowie die Rauch- und Schadstoffentwicklung. Besonders die präzise Bestimmung des Zündzeitpunkts ist komplex und wird oftmals über den kritischen Massenstrom der flüchtigen pyrolytischen Produkte definiert, die notwendig sind, um eine Flamme zu erhalten, welche wiederum genug Wärme an die Oberfläche zurückführt, ohne erloschen zu werden.

Die modellhafte Beschreibung der Brandausbreitung erfordert daher ein tiefgehendes Verständnis der thermochemischen Vorgänge und deren Wechselwirkungen. Die Herausforderung besteht darin, die Dynamik der Pyrolyse, die Strahlungswärmeübertragung und die Turbulenz miteinander zu verknüpfen und gleichzeitig mit Unsicherheiten in den Materialeigenschaften und Umgebungsbedingungen umzugehen. Diese Faktoren beeinflussen maßgeblich die Vorhersagegenauigkeit und bedürfen fortwährender Forschung.

Die Integration fortschrittlicher numerischer Methoden, wie der Polynomial Chaos Expansion, zeigt vielversprechende Ansätze, um Unsicherheiten in Strömungs- und Brandmodellen systematisch zu behandeln und deren Einfluss auf die Simulationsergebnisse besser zu quantifizieren. Solche Methoden erlauben es, probabilistische Aussagen zu treffen, die über rein deterministische Modelle hinausgehen und somit eine fundiertere Entscheidungsgrundlage schaffen.

Es ist wichtig zu verstehen, dass die Simulation von Feuer und seiner Ausbreitung niemals vollständig deterministisch und exakt sein kann. Vielmehr handelt es sich um eine probabilistische Annäherung, die durch physikalisch fundierte Modelle und statistische Methoden ergänzt wird. Nur durch das Bewusstsein der inhärenten Unsicherheiten und die kontinuierliche Validierung der Modelle an experimentellen Daten kann die Zuverlässigkeit der Simulationen verbessert werden.

Insgesamt zeigt sich, dass die realistische Modellierung der Feuer-Ausbreitung ein interdisziplinäres Unterfangen ist, das Expertise aus Thermodynamik, Chemie, Strömungsmechanik und numerischer Mathematik erfordert. Nur so kann ein umfassendes Verständnis entstehen, das die Entwicklung effektiver Brandschutzmaßnahmen und die Verbesserung von Sicherheitskonzepten nachhaltig unterstützt.

Wie beurteilen ältere Beschäftigte ihre berufliche Zukunft und welche Faktoren beeinflussen ihren vorzeitigen Renteneintritt?

Die subjektive Einschätzung der eigenen Erwerbstätigkeit in der Zukunft stellt einen zentralen Aspekt der Arbeits- und Rentenforschung dar. Im Rahmen der vierten Erhebungswelle der lidA-Studie (2022/23) wurde untersucht, wie Arbeitnehmerinnen und Arbeitnehmer ihre weitere Erwerbsbeteiligung einschätzen und welche Faktoren ihre Wunsch- sowie ihre erwartete Renteneintrittsalter beeinflussen. Dabei wurde einerseits nach dem gewünschten Renteneintrittsalter gefragt, unabhängig von gesetzlichen Regelungen, und andererseits nach dem maximalen Alter, bis zu dem sie sich physisch und psychisch in der Lage sehen, weiterzuarbeiten.

Diese beiden Variablen – das gewünschte und das wahrgenommene maximale Arbeitsalter – spiegeln die subjektive Beschäftigungsperspektive wider und sind von großer Bedeutung für die Planung von Personal- und Sozialpolitik. Sie wurden durch offene Fragen erfasst, die in der lidA-Studie erstmals verwendet wurden, jedoch an weltweit gebräuchliche Erhebungen angelehnt sind, beispielsweise an die nationale GEDA-Studie des Robert Koch-Instituts.

Darüber hinaus wurde die Bereitschaft zur Weiterarbeit über das gewünschte Renteneintrittsalter hinaus untersucht. Dabei wurden spezifische Bedingungen erfragt, unter denen eine Verlängerung der Erwerbstätigkeit denkbar wäre. Sieben unterschiedliche Aspekte, wie etwa eine gute Bezahlung oder flexible Arbeitszeiten, standen zur Auswahl. Dies erlaubt es, potenzielle Anreize und Rahmenbedingungen zu identifizieren, die die Erwerbsbeteiligung älterer Beschäftigter verlängern könnten.

Für Personen, die bereits eine Alters- oder Erwerbsminderungsrente beziehen, wurden die Gründe für ihren vorzeitigen Ausstieg ebenfalls in einer differenzierten Weise erfasst. Dabei standen 17 mögliche Einflussfaktoren zur Verfügung, die die Befragten je nach Beitrag zur Rentenentscheidung bewerten konnten. Die Ergebnisse verdeutlichen die Komplexität der Ausstiegsgründe und unterstreichen die Bedeutung sowohl individueller als auch struktureller Ursachen.

Die Analyse der Stichprobe der vierten Welle zeigt eine differenzierte Altersverteilung und eine vielfältige Zusammensetzung hinsichtlich Geschlecht, Arbeitszeit und Bildungsniveau. Die Unterschiede zwischen den Geburtsjahrgängen manifestieren sich vor allem in den Arbeitszeiten: Ältere Kohorten arbeiten häufiger in Teilzeit, während jüngere vermehrt Überstunden leisten. Die Verteilung der Berufsgruppen ist über die Kohorten hinweg relativ stabil, was auf eine gewisse Kontinuität der beruflichen Laufbahnen hinweist.

Die in der Studie verwendeten sozio-demographischen Variablen – Geburtsjahrgang, Geschlecht und berufliche Einordnung nach dem Klassifikationssystem KldB 2010 – ermöglichen eine differenzierte Analyse, die geschlechtsspezifische und generationelle Unterschiede bei den Erwerbsperspektiven sowie beim vorzeitigen Renteneintritt offenlegt.

Es ist zu beachten, dass trotz umfangreicher Erhebung und Analyse die Daten der vierten Welle zum Zeitpunkt der Veröffentlichung keine abschließenden Informationen zur Repräsentativität enthalten. Dies sollte bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden.

Die Erkenntnisse dieser Untersuchung sind grundlegend für das Verständnis, wie ältere Arbeitnehmer ihre berufliche Zukunft wahrnehmen, welche Barrieren und Motivationen sie beim Verbleib im Arbeitsleben haben und welche Bedingungen ihre Erwerbstätigkeit verlängern oder verkürzen. Die differenzierte Betrachtung sowohl der Wünsche als auch der objektiv wahrgenommenen Möglichkeiten zur weiteren Arbeit liefert wichtige Ansatzpunkte für die Gestaltung von Arbeitsbedingungen, die den demografischen Herausforderungen in Deutschland Rechnung tragen.

Neben den bereits analysierten Aspekten ist für ein ganzheitliches Verständnis der Thematik auch die Rolle der Arbeitsqualität, der betrieblichen Unterstützung sowie der gesundheitlichen Prävention hervorzuheben. Die subjektive Einschätzung der Arbeitsfähigkeit wird nicht nur durch individuelle Faktoren, sondern auch durch die Arbeitsumgebung und soziale Rahmenbedingungen geprägt. Ein weiteres zentrales Element ist die Flexibilität der Arbeitszeitgestaltung, die es älteren Beschäftigten ermöglicht, ihre Arbeitskraft länger einzubringen, ohne dabei gesundheitliche oder familiäre Belastungen zu erhöhen. Zudem spielt die finanzielle Absicherung eine bedeutende Rolle, da unzureichende Rentenansprüche oder mangelnde finanzielle Anreize oft als Gründe für einen vorzeitigen Renteneintritt angegeben werden.

Wie die Interaktionen zwischen technischen und sozialen Subsystemen den Gesamterfolg von Systemen beeinflussen

Die Interaktionen zwischen technischen und sozialen Subsystemen sind entscheidend für den Erfolg eines Gesamtsystems. Wird entweder das technische oder das soziale System ohne Berücksichtigung der Wechselwirkungen optimiert, kann dies zu unbeabsichtigten, nicht-linearen Effekten führen, die die Gesamtleistung des Systems mindern. Diese Erkenntnis stammt ursprünglich aus Studien zum Arbeitsumfeld im Kohlenbergbau, bei denen technologische Innovationen, die eigentlich die Arbeitsbedingungen verbessern und die Leistung steigern sollten, unbeabsichtigte Nebeneffekte wie Veränderungen in den sozialen Strukturen unter den Arbeitern hervorriefen. Dies führte zu einer hohen Fluktuation und vielen Krankheitsausfällen anstelle von Leistungssteigerungen. Die theoretischen Überlegungen dieser frühen Studien sind auf alle Veränderungen in komplexen Systemen übertragbar.

Ein entscheidender Ansatz ist die Anwendung des soziotechnischen Systems, bei dem vor der Einführung technologischer Innovationen eine gleichzeitige Bewertung der sozialen Veränderungen und der Auswirkungen auf den Menschen sowie mögliche Gegenmaßnahmen berücksichtigt werden sollten. Die Herausforderung besteht darin, die Wechselwirkungen zwischen der technischen Entwicklung und den sozialen Strukturen so zu gestalten, dass sowohl die Leistungsfähigkeit des Systems als auch das Wohlbefinden der Mitarbeiter erhalten bleiben. Technologische Entwicklungen dürfen nicht isoliert betrachtet werden, sondern müssen stets im Kontext der sozialen und menschlichen Dimensionen eines Systems analysiert werden.

Ein Beispiel für den Einsatz statistischer Lernmethoden ist die Hauptkomponentenanalyse (PCA), die oft verwendet wird, um hochdimensionale Datensätze zu analysieren. Diese Methode reduziert die Komplexität der Daten, indem sie die wichtigsten Variablen extrahiert und die zugrundeliegenden Strukturen sichtbar macht. In der Praxis wird PCA eingesetzt, um die wichtigsten Merkmale aus einer Vielzahl von Messungen zu identifizieren, etwa bei der Überwachung von Maschinenzuständen, um frühzeitig Anomalien zu erkennen und Ausfälle zu verhindern.

Zusätzlich zur PCA sind auch Clustertechniken von Bedeutung, um multivariate Datensätze zu analysieren und Muster zu erkennen. Durch Clustering-Techniken können Daten in Gruppen eingeteilt werden, bei denen die Eigenschaften innerhalb einer Gruppe ähnlicher sind als zwischen den Gruppen. Verschiedene Clustering-Methoden, wie K-Means oder hierarchisches Clustering, helfen dabei, versteckte Strukturen in den Daten zu entdecken, die für die Analyse der Systemleistung von zentraler Bedeutung sein können. Dies ist besonders nützlich in komplexen industriellen Prozessen, in denen unvorhergesehene Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Systemelementen auftreten können.

Wichtig ist jedoch, dass die Betrachtung der Interaktionen zwischen sozialen und technischen Systemen in der Praxis oft zu kurz kommt. Eine erfolgreiche Integration von Technologie erfordert mehr als nur die Anpassung der Maschinen und Prozesse; sie muss auch die Arbeitsweise der Menschen im System berücksichtigen. In der Praxis führt dies häufig zu einem Missverständnis der tatsächlichen Auswirkungen von Veränderungen, was zu einem Anstieg der Fehleranfälligkeit und einer Reduktion der Systemleistung führen kann.

Zusätzlich zu den bereits angesprochenen Herausforderungen der Automatisierung und Digitalisierung, die insbesondere die menschlichen Fähigkeiten betreffen, ist es notwendig, die emotionale und soziale Belastung der Mitarbeiter in den Blick zu nehmen. Der Übergang von einer manuellen, aktiven Rolle zu einer passiven Überwachungsrolle kann zu einem Gefühl der Entfremdung und Demotivation führen. Auch die ungewollte Reduktion der Fähigkeiten der Mitarbeiter, wenn diese nicht regelmäßig in praktischen, komplexen Szenarien geschult werden, kann zu einer Gefährdung der Systemsicherheit und -zuverlässigkeit führen.

Deshalb ist die Integration von Mensch und Maschine im Kontext von Industrie 4.0 nicht nur eine technische, sondern auch eine soziale Herausforderung. Hierbei sollte der Fokus nicht nur auf der Effizienzsteigerung der Prozesse, sondern auch auf der Förderung der sozialen Interaktionen und der Aufrechterhaltung der Motivation und Qualifikation der Arbeitskräfte gelegt werden. Nur so lässt sich eine nachhaltige und erfolgreiche Implementierung neuer Technologien in komplexe Systeme gewährleisten.

Wie das Verständnis der Tropfenbewegung zur Optimierung von Oberflächenprozessen beitragen kann

Linder et al. (50) führten ein Modell zur Behandlung des Kontaktwinkelhysterese ein, indem sie Dirichlet-Randbedingungen für den Flüssigkeitsphasenanteil verwendeten, um die Kontaktlinie zu fixieren. Innerhalb des Hysteresebereichs wurde die Kontaktlinie durch die Anpassung des Phasenanteils mit Dirichlet-Bedingungen gesteuert, während sie sich außerhalb dieses Bereichs mit Neumann-Bedingungen fortpflanzen konnte. Diese Herangehensweise führte zu einer präziseren Modellierung von Tropfenbewegungen, indem sie die Rolle der Kontaktwinkelhysterese und die Auswirkungen von Oberflächenheterogenitäten berücksichtigte.

In einer weiteren Studie von He und Yao (51) wurde der Kontaktwinkelhysterese unter Verwendung von Pseudo-Linientensionen modelliert, um Oberflächenheterogenitäten zu beschreiben. Ein innovativer Ansatz war die Verwendung der Feedback-Deceleration-Technik (FDT) von Park und Kang (52), die ursprünglich für die Level-Set-Methode entwickelt wurde und später von Krämer et al. (53) für die Volumen-der-Flüssigkeit-Methode (VoF) implementiert wurde. Diese Methode ermöglicht es, die Kontaktlinie zu fixieren, indem der Kontaktwinkel angepasst wird, was eine realistischere Darstellung der Tropfenadhäsion und -bewegung auf Oberflächen ermöglicht.

Experimentelle und numerische Untersuchungen von Tropfenbewegungen unter Einfluss von Aerodynamik und Vibrationen sind entscheidend, um die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse zu verstehen und zu modellieren. In der experimentellen Einrichtung wurden zwei elektromagnetische Vibrationsgeber eingesetzt, um harmonische Oberflächenvibrationen in zwei Dimensionen zu erzeugen. Diese Vibrationen haben einen direkten Einfluss auf die Tropfenadhäsion und deren Bewegung. Die Kombination von experimentellen und numerischen Methoden, wie sie im Forschungsprojekt von Rohde et al. (54, 55) beschrieben wird, bietet einen tiefen Einblick in die Wechselwirkungen zwischen Tropfen und Oberfläche unter Vibrationseinflüssen.

Die numerische Implementierung der Kontaktwinkelhysterese, die als Korrekturmechanismus für die Kontaktlinie dient, ist ein entscheidender Faktor für die präzise Simulation von Tropfenbewegungen. Durch die Verwendung der Feedback-Deceleration-Technik wird der Kontaktwinkel für den nächsten Zeitschritt basierend auf dem aktuellen Kontaktwinkel und der aktuellen Kontaktliniengeschwindigkeit angepasst. Diese Methode stellt sicher, dass die Tropfenbewegung auf der Oberfläche realistisch dargestellt wird, insbesondere in Bereichen mit niedrigem Reynolds-Zahl, bei denen die Kontaktlinie stark pinnen kann.

Die Herausforderung bei der Simulation von Tropfenbewegungen liegt nicht nur in der korrekten Berechnung des Kontaktwinkels, sondern auch in der Berücksichtigung von Faktoren wie der Oberflächenbeschaffenheit und den spezifischen Flüssigkeitseigenschaften. So wurde der Solver mit verschiedenen Tropfengrößen, Flüssigkeitseigenschaften und Benetzungseigenschaften validiert, um sicherzustellen, dass die Simulationsergebnisse den experimentellen Messungen entsprechen. Die Genauigkeit der numerischen Modellierung ist entscheidend, um das Verhalten von Tropfen unter realen Bedingungen zu verstehen und darauf basierend Anwendungen zu entwickeln, die diese Erkenntnisse nutzen.

Die Bestimmung der kritischen Einströmgeschwindigkeit, bei der ein Tropfen von der Oberfläche abgelöst wird, ist ein weiterer wichtiger Aspekt der Tropfenbewegung. Diese Geschwindigkeit wird durch die Analyse der Tropfengeschwindigkeit und des Luftstroms normalisiert und liefert wertvolle Informationen darüber, bei welchem Luftstrom die Ablösung des Tropfens eintritt. In Kombination mit der numerischen Modellierung und der experimentellen Untersuchung ermöglicht dies eine detaillierte Analyse der Tropfenadhäsion und -bewegung, was in vielen Anwendungsbereichen von großem Nutzen ist.

Wie lassen sich Co-basierte Hartlegierungen durch Fe-Ni-basierte Legierungen für Hochtemperatureinsätze ersetzen?

Co-basierte Hartlegierungen zeichnen sich durch eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aus, da der Cobaltanteil in Kombination mit einem ausreichend hohen Chromgehalt in der Metallmatrix gelöst bleibt und nicht in Karbiden ausfällt. Die Zugabe von Molybdän unterstützt zusätzlich die Bildung einer passiven Schutzschicht, die die Korrosionsresistenz weiter verbessert. Trotz dieser hervorragenden Eigenschaften ist die Verwendung von Co-basierten Werkstoffen problematisch, da Cobalt als kritisches Rohmaterial gilt und häufig unter fragwürdigen Bedingungen gewonnen wird, unter anderem durch Kinderarbeit oder in Konfliktregionen. Deshalb besteht ein großes Interesse, Cobalt durch Legierungen mit geringeren Anteilen kritischer oder Konfliktmaterialien zu ersetzen.

Co-basierte Legierungen zeigen über Temperatur nur einen geringen Härteabfall, da sich die Metallmatrix von der kubisch-flächenzentrierten Struktur (fcc, α-Co) in eine hexagonal-dichteste Struktur (hdp, β-Co) umwandelt. Diese Phasenumwandlung führt zu einer Reduzierung der aktiven Gleitsysteme von 12 auf 3, wodurch der plastische Fluss und damit die Fragmentierung der Hartphasen wirksam eingedämmt werden. Für die Substitution von Co-basierten Legierungen in Hochtemperatureinsätzen ist es entscheidend, eine Hartlegierung mit höherer Hochtemperaturfestigkeit zu entwickeln, die den plastischen Fluss und die dadurch verursachte Hartphasenfragmentierung verhindert. Gleichzeitig müssen Anforderungen an Festigkeit, Oxidations- und Verschleißbeständigkeit erfüllt werden.

Ein Ansatz bestand darin, den Cobaltanteil im Stellite-6-System schrittweise durch Eisen zu ersetzen. Mit steigendem Fe-Gehalt nahm die Warmhärte ab, und ab etwa 45 Masseprozent Fe bildete sich eine bcc-Matrix. Die Erhöhung des Eisenanteils führte zu einem Anstieg der Stapelfehlerenergie, was die fcc-hdp-Umwandlung erschwerte oder verhinderte. Dadurch wurde zwar bei 800 °C eine Hot-Härte von 220–260 HV10 erreicht, jedoch reichte die Warmverschleißfestigkeit nicht aus.

Durch Lösungsglühen bei 1100 °C und anschließendes Altern bei Temperaturen zwischen 650 und 750 °C konnte die entwickelte Legierung eine höhere Warmhärte als die Referenzlegierung Stellite 6 erzielen. Verschleißprüfungen zeigen, dass das bei 650 °C gealterte Material eine vergleichbare Verschleißrate aufweist wie Stellite 6. Höhere Alterungstemperaturen führten jedoch zu Ostwald-Reifung der NiAl-Ausscheidungen, was die Hochtemperaturfestigkeit verringerte und den Verschleiß erhöhte.

Die Rückgewinnung kritischer Rohstoffe gewinnt zunehmend an Bedeutung, da viele dieser Materialien nur begrenzt verfügbar sind und häufig aus politisch oder ökologisch sensiblen Regionen stammen. So besteht bei Wolfram, das zu etwa 69 % aus China bezogen wird, eine hohe Abhängigkeitsrate, die durch Recycling reduziert werden kann. Die konsequente Rückführung von Wolfram aus Hartmetallen ermöglicht es der Europäischen Union, 42 % des Bedarfs durch Recycling zu decken. Auch bei anderen teuren und seltenen Werkstoffen lohnt sich das Recycling.

Ein Beispiel dafür ist der Metallmatrix-Verbundwerkstoff „Ferrotitanit“, der eine Eisenmatrix mit 22–34 Masse% Titan-Karbid (TiC) enthält. Dieses Material bietet neben hoher Verschleißfestigkeit auch gute Korrosionsbeständigkeit, sofern es ausreichend mit Chrom und Molybdän legiert ist. Ferrotitanit eignet sich daher hervorragend zur Herstellung komplex geformter Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung. Bei der Entwicklung einer sinnvollen Recyclingstrategie ist nicht nur das Spanmaterial zu berücksichtigen, sondern auch das TiC, das sich in Werkzeugen am Ende ihrer Lebensdauer befindet. Im Projekt „RecyTiC“ wurde eine industrielle Methode entwickelt, bei der die Metallmatrix durch Säure entfernt wird, um TiC-Partikel zurückzugewinnen. Nach Reinigung und Trocknung können diese wiederverwendet werden.