Forschung

Verbundprojekte

Die Mitarbeiter unseres Instituts waren und sind an zahlreichen großen Verbundforschungsprojekten beteiligt, sowohl in Deutschland als auch international.

Hier erfahren Sie mehr über diese Projekte und die spannenden Forschungsansätze unserer Mitarbeiter!

Aktuelle Projekte

In und auf der Erde finden geologische Prozesse in einer breiten Variation von Zeitskalen statt, welche eine ineinandergreifende, hierarchische Struktur bilden. Die Bestimmung der kurzweiligeren Prozesse stellte bislang eine große Herausforderung dar. Diffusionschronometrie hat ein hohes Potential für die Lösung solcher Fragestellungen beizutragen. Magmatische Hochtemperatur- Systeme bilden ein hervorragendes natürliches Labor, in dem die Instrumente der Diffusionschronometrie an natürlichen Systemen, wie zum Beispiel aktiven Vulkanen, entwickelt und kalibriert werden können. Weiterhin können die neu entwickelten und überarbeiteten Instrumente auf einen breiteren geologischen Anwendungsbereich übertragen werden. Dieses Projekt soll Feldgeologen, experimentelle Wissenschaftler, Theoretiker und Modellierer aus den Geowissenschaften, sowie Wissenschaftler aus den benachbarten Gebieten der Physik und Materialwissenschaften zusammenbringen, um die Entwicklung solcher Werkzeuge voranzutreiben. Einige der Hauptziele der ersten Antragsphase dieser Forschungsgruppe sind: die Bestimmung fehlender Diffusionsparameter in Pyroxenen und Plagioklasen, die vertiefte Untersuchung diffusionsgesteuerter Isotopenfraktionierung bei hohen Temperaturen, die Kalibration von Phasenbeziehungen zur Festlegung von Rahmenbedingungen in hochauflösenden Diffusionsmodellen, die Untersuchung der Rolle textureller Entwicklungen, sowie die Anwendung der Diffusionsparameter an divergenten und konvergenten Plattengrenzen (siehe Oman und Kamchatka). Dies wird ergänzt durch die Entwicklung benutzerfreundlicher Software, die der breiten wissenschaftlichen Community zur Verfügung gestellt wird. In einer weiteren Projektphase soll die Untersuchung auf komplexere magmatische (z.B. explosiver Vulkanismus) und Schmelz-Fluid- Gestein Systeme (Migmatite, Mantelmetasomatose, Erzbildung) erweitert werden. Dafür ist die Untersuchung von Diffusionsprozessen in komplexeren Mineralen und polykristallinen Systemen (z.B. Amphibol, Glimmer oder wasserhaltige Systeme) notwendig.

 

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Der maschinelle Tunnelbau ist ein durch einen hohen Automatisierungsgrad gekennzeichnetes Bauver-fahren, das in unterschiedlichen Baugrund- und Grundwasserverhältnissen, häufig in Innenstadtlagen mit nur geringen Überdeckungen und sensibler Bebauung, aber auch in Festgestein mit großen Überlagerungen eingesetzt wird. Vielfältige Interaktionen des Vortriebsprozesses mit der Umgebung, die oft nur unscharf erfassbaren Baugrundeigenschaften und eine geringe Flexibilität in Bezug auf Anpassungen während des Vortriebs an wechselnde oder schwierige Baugrundverhältnisse stellen besondere Anforderungen an die Planung und den Vortrieb. Im Durchschnitt erreichen Tunnelvortriebsmaschi-nen derzeit lediglich ca. 30% ihrer theoretischen Leistungskapazität. Vor dem Hintergrund einer stetigen Ausweitung des Einsatzbereichs dieser Technik, der Tendenz zu größeren Durchmessern und steigenden Anforderungen an die Eingrenzung vortriebsbedingter Risiken widmen sich im SFB 837 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Bereichen Bauin-genieurwesen, Computational Engineering, Geowissenschaften und dem Maschinenbau der Erfor-schung aller wesentlichen, die Sicherheit und Effizienz des maschinellen Tunnelbaus betreffenden Prozesse und deren Wechselwirkungen. Durch eine Synthese von computerorientierter Modellierung, experimenteller Forschung und digitalen Planungsmethoden ist es bereits in den ersten beiden Forschungsperioden gelungen, bislang vereinfacht empirisch erfasste Sachverhalte wissenschaftlich fundiert zu beschreiben und dadurch Potentiale für die Optimierung von Projektplanung- und Ausführung bzw. der gesamten Verfahrenstechnik im maschinellen Tunnelbau aufzuzeigen. Stand in den ersten zwei Projektphasen der maschinelle Tunnelbau im Lockergestein im Vorder-grund, so widmet sich der SFB 837 in der dritten Förderperiode auch schwierigen geologischen Ver-hältnissen, die dem Einsatz von Tunnelvortriebsmaschinen bisher Grenzen setzen. So werden bislang unzureichend verstandene Wechselwirkungen zwischen Vortrieb und quellfähigem Baugrund sowie ein neuartiger verformungstoleranter Tunnelausbau erforscht. Weiterhin werden aus der engen Verbindung werkstoffwissenschaftlicher und gesteinsphysikalischer Analysen Erkenntnisse zur Leistungsfähigkeit des Vortriebs in schwierigen Gesteinsformationen erwartet. Mit der Entwicklung von numerischen S-mulationsmodellen zur Abbildung des Baugrunds und aller wesentlichen technischen und logistischen Verfahrensabläufe werden verbesserte umweltschonendere und risikoärmere Planungsansätze und Vortriebsprozesse ermöglicht. Diese Modelle werden in echtzeitfähiger Form für eine interaktive digitale Trassenoptimierung von Tunnelbauprojekten in innerstädtischen Gebieten weiterentwickelt.

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Das Schwerpunktprogramm SPP 1833 "Building a Habitable Earth" geht der zentralen Frage nach, wie die Erde zu einem bewohnbaren Planeten wurde. Eine einzigartige Kombination von Prozessen ist vermutlich für die Habitabilität der Erde verantwortlich - welche diese genau waren, und welcher Art ihr Zusammenspiel war, ist jedoch kaum bekannt. Die drei wesentlichen Aspekte sind dabei (i) die Zusammensetzung und Herkunft der Baumaterialien der Erde, (ii) die früheste Differenzierung der Erde in Kruste, Mantel und Kern und (iii) die Entwicklung des Ozean-Atmosphäre-Systems. In unserem Ansatz, die Umstände zu rekonstruieren, die die Erde zu einem bewohnbaren Planeten werden ließen, und wie sich die Erdoberfläche durch die Interaktion mit der Biosphäre entwickelte, konzentriert sich SPP 1833 auf geowissenschaftliche Ansätze zur Erforschung extraterrestrischer Proben und Gesteine aus der Frühzeit der Erde. Diese stellen ein direktes Archiv der damaligen Bedingungen dar und liefern somit mehr Informationen als Analogstudien oder rein theoretische Ansätze. Aufgrund des schwierigen Zugangs zu seltenem Probenmaterial sowie mangels geeigneter analytischer Methoden konnten die Umstände, die die Erde zu einem bewohnbaren Planeten machte, bisher nur unzureichend untersucht werden. Diese Situation hat sich in den vergangenen Jahren jedoch dramatisch verändert und gänzlich neue Möglichkeiten zu innovativer Forschung haben sich eröffnet. Diese beinhalten die zunehmende Verfügbarkeit an geeignetem Probenmaterial und neue analytische, experimentelle und modellierende Ansätze. SPP 1833 "Building a Habitable Earth" ist das erste koordinierte geowissenschaftliche Forschungsprogramm, das sich der Frage der Habitabilität der Erde aus verschiedenen Blickwinkeln widmet - unter Einbindung verschiedener Disziplinen wie der Geologie, Geochemie, Kosmochemie, Petrologie, Planetologie, Geobiologie und der geophysikalischen Modellierung.

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Im Projekt soll eine hydraulisch leitfähige Störung, die bereits durch eine Bohrung durchörtert wurde, als natürlicher Wärmetauscher genutzt werden, so dass die hydraulische Stimulation vermieden und das Risiko der induzierten Seismizität erheblich verringert wird. Das Ziel des Forschungsvorhabens am Standort Geretsried (Bayern) ist der Nachweis der hydraulischen Wirksamkeit von Stützmitteln, die bislang nicht in der Tiefengeothermie eingesetzt wurden. In Kombination mit zonierter Säuerung sollen diese Stützmittel in natürliche Kluftzonen tiefliegender Karbonaten eingetragen werden und zur Entwicklung eines petrothermalen Standortes in Deutschland dienen. In Bezug auf die Auswahl geeigneter Stützmittel ist insbesondere die Unbedenklichkeit des Einsatzes von Stützmitteln aus Umweltgesichtspunkten von besonderer Bedeutung. Das Verbundprojekt 'ZoKrates' setzt sich aus wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Partnern zusammen, unter denen auch der Feldeseigentümer ist. Die Partner sind Ruhr Universität Bochum, Leibniz Institut für Angewandte Geophysik, GTN, G.E.O.S. und ENEX.

NWE muss CO2 reduzieren. Eine Hauptquelle der Entstehung von CO2 ist die Erzeugung von Strom und Wärme durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe. Diese könnte durch Tiefengeothermie (DGE) weitgehend ersetzt werden. Die Erkundung der DGE in den meisten NWE-Regionen erfordert jedoch spezifische Kenntnisse und Technologien in den komplexen geologischen Situationen (stark gestörte hochpermeable Karbonate und grobe klastische Gesteine), die in DE,FR,BE,NL beispielhaft klar grenzüberschreitend zu finden sind. Ziel von DGE-ROLLOUT ist es, Energie zu erzeugen und den CO2-Ausstoß zu reduzieren, in dem fossile Brennstoffe durch den verstärkten Einsatz der DGE für die Hochtemperatur-Wärmeversorgung großer Infrastrukturen zur Deckung der energetischen Grundlast ersetzt werden. Dies wird durch Mapping und Networking (WPT1), durch Anwendung innovativer Entscheidungs- und Explorationsstrategien (WPT2) und durch Tests zur Produktionsoptimierung (WPT3) erreicht. In 2 Piloten (BE,DE) wird die Produktionsoptimierung durch den Einsatz von Hochtemperatur-Wärmepumpen, Wärmespeicherung und neuen Kaskadierungskonzepten von hoch (>100 °C, großes Netzwerk) bis niedrig (>50 °C, Einzelbetrieb) getestet und eine CO2-Reduktion von 25.000t/a erreicht. Durch die Realisierung weiterer Anlagen in DE, FR, BE, NL können bis 2022 bis zu 160.000t/a erreicht werden. 10 Jahre nach Projektende werden mindestens 1,6 Mio t/a erreicht, langfristig werden jedoch bis zu 7Mio t/a erwartet. Weitere Aktivitäten werden innovative kostengünstigere, risikominimierendere und zuverlässigere Entscheidungs- und Explorationsstrategien, sowie ein 3D-Atlas der komplexen geologischen Situation als räumliche Grundlage erstellt. Zur Verbreitung von DGE werden Instrumente zur gesellschaftlichen Akzeptanzsteigerung, rechtliche Rahmenbedingungen sowie Geschäftsmodelle für Unternehmen evaluiert und erarbeitet, ein Netzwerk NWE-DGE aufgebaut, um die Ergebnisse und Investitionen nach Projektende langfristig zu sichern.

DSEBRA, das Deutsche Seismologische Breitbandarray, bildet eine Schlüsselkomponente von AlpArray, einem richtungsweisenden europäischen Projekt, das bahnbrechende Erkenntnisse zu Gebirgsbildungsprozessen in den Alpen liefern wird (Aktivität A). Gleichzeitig bedeutet DSEBRA den Eintritt Deutschlands in den aufstrebenden Kreis der großflächigen, dichten und langfristig betriebenen seismologischen Arrays, die gleichsam als geowissenschaftliche Teleskope das dynamischen Erdinnern erkunden. Die detailreichen Bilder, die sich mit solchen Arrays erzeugen lassen, werden unser Verständnis sowohl von lokalisierten Deformationserscheinungen wie Erdbeben und vulkanischer Aktivität als auch von großskaligen, langsamen Prozessen wie Mantelkonvektion weit voranbringen. Die neue Technologie hat bereits erstaunliche Resultate in Nord-Amerika (US-ARRAY) hervorgebracht und verspricht vergleichbare Ergebnisse innerhalb von AlpArray und in weiteren, zielgerichteten Studien in Europa und der Welt.DSEBRA ist das instrumentelle Herz des SPP (MB-4D). Es ist als individuelles Array-Instrument konzipiert, bestehend aus 100 mobilen Breitbandstationen, das entweder für sich oder in Verbindung mit anderen Stationen oder Arrays aufgestellt werden kann. DSEBRA ist das ideale, auf temporäre Langzeiteinsätze ausgerichtete Gegenstück zum permanenten Deutschen Seismologischen Regionalnetz und zum Instrumentenpool des GFZ (GIPP), der seit Jahren in vielen Projekten, die typischerweise wenige Wochen bis maximal ein Jahr dauern, genutzt wird.Das AlpArray Seismic Network wird das am dichtesten bestückte seismische Array sein, das jemals auf der Skala eines ganzen Orogens aufgestellt wurde. Es umfasst ca. 600 Landstationen in Abständen von 30-40 km, die den gesamten Alpenraum überdecken. Diese Stationen werden ergänzt durch Ozeanboden-Seismometer in der Ligurischen See (LOBSTER, Activity B) und dicht besetzten, streifenartigen Auslagen an Schlüsselstellen lithosphärischer Reorganisation (Aktivität C und D). Neuartige seismische Erkundungsverfahren wie Full-Waveform-Inversion und inverse Streumethoden, angewandt auf den beispiellosen Datensatz von AlpArray, können ihr volles Abbildungspotential entfalten. AlpArray ist daher die ideale Plattform, um diese innovativen Methoden zu testen und weiter zu entwickeln und uns ganz neue Erkenntnisse zu bisher unbeantworteten Fragen zur tiefen Struktur und aktiven Dynamik von Gebirgsgürteln zu liefern, einschließlich ihrer Bezüge zu Prozessen an der Erdoberfläche (Forschungsthemen 1 und 2).DSEBRAs Mission beginnt erst mit dem SPP MB-4D und AlpArray. Danach wird es ein Kerninstrument für weitere innovative, deutsche Forschungsinitiativen sein, die im Zusammenspiel mit multidisziplinären internationalen Projekten durchgeführt werden. Mit DSEBRA bleibt Deutschland an der Spitze internationaler geophysikalischer und geodynamischer Forschung.

Ziel dieses Vorhabens ist es, interdisziplinäre Forschung der Festen Erde in der zweiten Dreijahresphase von 4D-MB zu fördern. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf Kontroversen, die sich mit dem Ende des internationalen seismischen AlpArray Experiments und der beginnenden Interpretation der nun verfügbaren seismischen Daten offenbaren.Der Antrag umfasst zwei Komponenten: (1) Eine administrative Komponente, der es erleichtern soll, Wissenschaftler/innen in Arbeitsgruppen zusammenzubringen, um sich mit ihren Forschungsinteressen und den Hauptthemen von 4D-MB zu befassen; (2) Eine forschungsorientierte Komponente, der sich mit Prozessen befasst, die der sogenannten neogenen orogenen Revolution zugrunde liegen, d.h. der explosiven Ausdehnung und Indentation der Alpinen Gebirgsgürtel, die in der späten Paläogenen und Neogenen Zeit begonnen haben und bis heute die tektonische Aktivität im mittleren Alpenraum prägen. Um diesen beiden Komponenten gerecht zu werden, muss für die Dauer der zweiten Phase von 4D-MB ein(e) hochqualifizierte(r) Nachwuchswissenschaftler/in (Postdoc) eingestellt werden.Das obige Forschungsthema ist nur eine von drei interdisziplinären Arbeitsgruppen (WGs), die die vier Aktivitätsfelder der ersten Phase ablösen, um das breite Spektrum der Geowissenschaften in 4D-MB besser zu integrieren (siehe separat eingereichte Beschreibungen):WG A: Neogene orogene (R)evolution - von der Tiefe bis an die Oberfläche und zurück in der ZeitWG B: Modelle zur Verbindung Alpiner Deformation und sedimentärer SystemeWG C: Aktive Tektonik am Alpen-Dinariden-ÜbergangDie vorgeschlagenen Maßnahmen zur Vernetzung der Projekte in 4D-MB umfassen (1) jährliche November-Treffen aller PIs und Nachwuchswissenschaftler/innen (70 Personen), einschließlich eingeladene(r) Gastredner/innen; (2) kleine Workshops (10-20 Personen) für aktuelle Arbeitsgruppen; (3) jährliche dreitägige Kurse zu speziellen Themen einschließlich Themen für Nachwuchswissenschaftler; (4) 5- bis 7-tägige Exkursionen über das Alpine Orogen, die die Beziehungen zwischen tief stattfindenden Prozessen und Prozessen an der Erdoberfäche aufzeigen.Alle diese Maßnahmen setzen erfolgreiche Initiativen der ersten Phase von 4D-MB fort. Darüber hinaus werden die Mitglieder von 4D-MB ihre bereits beachtlichen Anstrengungen zur Zusammenarbeit mit AlpArray-Mitgliedern in ganz Europa und darüber hinaus verstärken. Für AlpArray wurden mehrere Arbeitsgruppen vorgeschlagen, die die beeindruckende Zahl der bereits von 4D-MB Mitgliedern gegründeten und/oder mitbegründeten ergänzen.Mit dem Eintritt von 4D-MB in die zweite Phase streben wir eine nachhaltige Kultur der Zusammenarbeit zwischen Fachbereichen der Geowissenschaften an. Ausgehend von 4D-MB werden z.Z. Anstrengungen unternommen, um neue europäische Projekte in anderen tektonisch aktiven Regionen der Welt zu initiieren.

Vergangene Projekte

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Sonderforschungsbereiche (SFB) sind Förderungsinstrumente der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Grundlagenforschung an Universitäten. Ein Sonderforschungsbereich umfaßt eine Gruppe von Wissenschaftlern aus verschiedenen Disziplinen, die sich in der Regel an einer einzigen Universität zusammenfinden, um sich für eine Zeit von bis zu 12 Jahren einem bestimmten aktuellen und anspruchsvollen Forschungsthema zu widmen. Die Förderung erfolgt in Hinblick auf innovative Forschung mit qualitativ hochwertigen Ergebnissen innerhalb dieser interdisziplinären Konstellationen; sie ist einem strengen Begutachtungsverfahren unterworfen.

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In dem Sonderforschungsbereich "Formgedächtnistechnik" (SFB 459) arbeitet eine interdisziplinäre Gruppe aus Ingenieur- und Naturwissenschaftlern zusammen. Ziel ist, das Gebiet Formgedächtnistechnik auch unter dem Gesichtspunkt der Produktinnovation und im Bereich anspruchsvoller Anwendungen im Maschinenbau und in der Medizin voranzutreiben.

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