Katalog der Abschlussarbeiten - Allgemeine und theoretische ...

Themenstellungen
für Abschluss- und Projektarbeiten
Sommersemester 2013
Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE)
Fakultät für Ingenieurwissenschaften,
Universität Duisburg-Essen
Prof. Dr. Daniel Erni
Email: daniel.erni@uni-due.de
Fon: 0203/379-4212

Grundlagenforschung

Masterarbeit
«Metamaterial-based lens design for versatile
switched-beam antennas»
Elektronisch steuerbare Gruppenantennen stellen bei InRaum-Funksystemen der neuesten Generation
eine Schlüsselkomponente dar, deren Bedeutung in zukünftigen InRaum-Übertragungs-, Ortungs- und Erkundungsszenarien
höchstmöglicher Performanz noch weiter zunehmen wird. Es ist bereits jetzt absehbar, dass
solche Systeme bei Frequenzen im mm-Wellenlängenbereich betrieben werden, was wiederum eine große
Herausforderung für die zugrundeliegende Antennentechnologie bedeutet. Einer ersten Abschätzung zufolge
wird hierbei ein minimaler Antennengewinn von etwa 25 dB benötigt. Daraus resultiert eine Gruppenantenne
mit rund 400 strahlenden Antennenelementen, wobei Letztere individuell mit unterschiedlichen Amplituden und
Phasen angesteuert werden müssen (und dies bei Arbeitsfrequenzen bis 300 GHz), um die gewünschte Strahlschwenkung
zu erzielen. Eine weitaus einfachere Methode der Strahlschwenkung besteht im Ein- und Ausschalten
örtlich entsprechend versetzter Antennenelemente unter einer dielektrischen Linse (cf. Abbildung),
weil sich die Position der strahlenden Antennenelemente (schwarz) durch die Linsenabbildung direkt in eine
entsprechende Abstrahlrichtung übersetzen lässt.
Das Ziel dieser Masterarbeit besteht in der Untersuchung eines möglichen Prototyps einer solchen
geschalteten Linsen-Antenne mit Hilfe elektromagnetischer Simulationstools. Der Schwerpunkt der Untersuchung
liegt beim Entwurf der dielektrischen Linse, welche wiederum als planare Metamaterialstruktur ausgeführt
werden soll, was den Entwurfsprozess wesentlich vereinfacht. Für die elektromagnetische Simulation
stehen leistungsstarke Simulationstools zur Verfügung. Zum einen sind dies die auf der Finiten-Elemente-
Methode (FEM) beruhenden Simulatoren Ansoft HFSS bzw. COMSOL Multiphysics, zum anderen könnte auch
das im Fachgebiet ATE entwickelte elektromagnetische Simulationsprogramm openEMS (www.openems.de)
zum Einsatz kommen, da dieser FDTD-Feldsimulator numerisch sehr leistungsfähig ist und ggf. auch zylindrische
Gittergeometrien unterstützt. Erfolgreiche Linsen-Designs sollen zudem für eine herunterskalierte Arbeitsfrequenz
(z.B. bei 10 GHz) hergestellt und entsprechend ausgemessen werden.
Die Masterarbeit ist Teil der Vorarbeiten zu einer geplanten Forschungszusammenarbeit zwischen der
Universität Duisburg-Essen (mit den Fachgebieten ATE) und der Ruhr-Universität Bochum (mit dem Lehrstuhl
für Hochfrequenzsysteme).
Voraussetzungen:
Charakter der Arbeit:
Wir bieten:
Freude an der Modellierung elektromagnetischer Felder; Kenntnisse von
MATLAB erwünscht.
30% Theorie / 50% Simulation / 20% Experiment.
Forschungsnahe Masterarbeit in einer interessanten Forschungsumgebung.
Kontakt: ATE: Prof. Dr. sc. techn. Daniel Erni daniel.erni@uni-due.de
Dr.-Ing. Andreas Rennings andreas.rennings@uni-due.de
RUB: Prof. Dr.-Ing. Ilona Rolfes, Lehrstuhl für Hochfrequenzsysteme;
Ruhr-Universität Bochum,
http://www.hfs.rub.de/

Bachelor Thesis Subject
«Analyzing simple antenna structures for the
emission of electromagnetic bullets»
Figure 1: Propagating electromagnetic «bullet». © Polynkin, University of Arizona
Electromagnetic «bullets» respective «missiles» are known as a peculiar pulse solutions to the
Maxwell’s equations where the energy is localized in space and time during propagation along a
finite distance that may significantly extend into the far-field. As a consequence the involved
radiation field amplitudes are decaying less rapidly than the well-known 1/r behavior even for
distances far beyond the Rayleigh distance. Such solitary pulses may become advantageous if we
think of e.g. high-speed indoor wireless data communication, where the low power level at the
receiver location is usually one of the major limitations in such communication channels. In order to
outsmart the 1/r field decay tailored radiation sources – i.e. antennas – are needed, which support a
specific protocol with respect to spatial and temporal aspects of e.g. the underlying surface currents.
The goal of this bachelor thesis is to investigate a simple dipole antenna where few current sources
are accordingly distributed along the antenna arms, and each of these sources is controlled by e.g.
a similar temporal pulse profile but having an individual time delay. Hence, profiles, time delays
and source positions are subject to optimization in order to achieve the desired bullet emission.
The investigations are carried out numerically using our easy-to-use computational electromagnetics
simulation platform openEMS (www.openems.de). The described bachelor thesis will be part of our
own research in the laboratory and therefore carefully supervised and largely supported
Pre-requisite:
Character of work:
We offer:
experienced in MATLAB, interested in «crazy» electromagnetics.
10% theory, 20% programming, 70% numerical investigations.
advanced research topic, stimulating work environment.
Contact: Prof. Dr. Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de
Dipl.-Ing. Thorsten Liebig: thorsten.liebig@uni-due.de

Bachelorarbeit
«Intelligente Hochgeschwindigkeits-Zellsortierung in
elektronisch getakteten Mikrofluidik-Chips»
Elektronische Zellsortierungen von biologischen Proben sind weit verbreitet in der biomedizinischen- und klinischen
Forschung und könnten in der Zukunft durch «Therapeutisches Sortieren» eine neue Bedeutung bei
der Behandlung von Patienten gewinnen. Für eine wachsende Zahl von Anwendungen, z.B. eine Genexpressionsanalyse
mittels BioChip-Technologie, wird jedoch eine Steigerung der Sortierrate und höhere Zellausbeute
innerhalb eines definierten Zeitraums benötigt, was mit bisherigen Zellsortier-Verfahren nicht erreicht
werden kann.
Einen möglichen Ausweg bietet die hoch-parallelisierte Verarbeitung von Probeflüssigkeiten in Mikrofluidik-
Chips. Mit Hilfe der sog. Elektrowetting-Technik können die zellenhaltigen Flüssigkeitströpfchen entsprechen
einem geeigneten Sortieralgorithmus manipuliert (bewegt, geteilt, vereinigt) werden. Das Ziel der Arbeit besteht
somit in der Entwicklung eines einfachen, hocheffizienten, parallelisierbaren Sortieralgorithmus, welcher
in der Lage ist, markierte Einzelzellen aus der Tröpfchenkolonnen mittels einer minimalen Anzahl von
Prozess-Schritten auszusondern. Die Tröpfchenkolonnen werden hier als Datenströme interpretiert, wodurch
sich die zu untersuchenden Ströme relativ einfach mit Hilfe der Simulationsplattform MATLAB im Lichte eines
anschaulichen Logistikproblems modellieren lassen. Die Arbeit basiert grundsätzlich auf der logistikbezogenen
Entwicklung des Sortieralgorithmus und der dementsprechenden Projektierung des Chip-Designs.
Das entworfene Sortiermodell ist mit Hilfe eines MATLAB-Simulators zu bewerten und zu analysieren.
Die Themenstellung bezieht sich auf aktuelle Forschungsaktivitäten des Instituts für Zellbiologie (Tumorforschung)
am Universitätsklinikum Essen, des Fraunhofer Instituts IMS, den beiden Fachgebieten für Mikroelektronische
Systeme und Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik und wird daher mit regem Interesse
begleitet und sehr aktiv unterstützt.
Voraussetzungen:
Charakter der Arbeit:
Wir bieten:
Kontakt:
Interesse an wissenschaftlichen Problemstellungen aus dem Bereich der
Medizintechnik und der Logistik, sowie Matlab-Programmierung.
30% Literaturstudium / 70% Simulation.
Eine interessante Forschungsumgebung an den Fachgebieten Allgemeine und
Theoretische Elektrotechnik (ATE) dem Fraunhofer Institut IMS, dem Fachgebiet
Mikroelektronische Systeme und dem Institut für Zellbiologie (Tumorforschung).
Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de
Fedor Schreiber: fedor.schreiber@uni-due.de

Masterarbeit
«Elektrodynamische Kleinsignal-Modellierung
eines InAs-Nanodraht-FET-Transistors»
Nanodraht-Transistoren werden aufgrund ihrer herausragenden elektronischen Eigenschaften
als mögliche Nachfolger der heutigen mikroelektronischen Transistoren angesehen. Dabei sind aufgrund
der geringen Bandlücke und hohen Mobilität insbesondere InAs-Nanodrähte interessant. Durch die den
Nanodraht eng umfassende Gate-Kontaktierung (siehe -Gate auf Foto) wird die Steuerwirkung des
Transistors deutlich erhöht. Eine besondere Herausforderung stellt hier das sogenannte De-embedding
dar, d.h. die Kleinsignal-Charakterisierung des eigentlichen Nanodraht-Transistorelements möglichst
unabhängig vom Einfluss der vergleichsweise großen externen Kontaktierungsflächen.
Das Ziel dieser Masterarbeit besteht in der elektrodynamischen Simulation und Modellierung eines
solchen InAs-Nanodraht-Feldeffekt (FET)-Transistors für Arbeitsfrequenzen bis in den Mikrowellenbereich
um 30GHz. Für die elektromagnetische Simulation stehen zwei leistungsstarke Simulationstools zur Verfügung.
Zum einen ist dies der auf der Finiten-Elemente-Methode (FEM) beruhende Simulator Ansoft HFSS, zum
anderen könnte auch das im Fachgebiet ATE entwickelte elektromagnetische Simulationsprogramm openEMS
(www.openems.de) zum Einsatz kommen, da dieser FDTD-Feldsimulator numerisch sehr leistungsfähig ist
und ggf. auch zylindrische Gittergeometrien unterstützt. Für die Validierung der simulierten Daten und Modelle
können bereits existierende Messdaten beigezogen werden. Die Frage der «Hochfrequenztauglichkeit»
solcher Nanodraht-FET-Transistoren steht dabei stets im Zentrum, wodurch diese Masterarbeit auch
ein aktiver Bestandteil der laufenden Forschung in den beiden Fachgebieten ATE und HLT ist.
Voraussetzungen:
Charakter der Arbeit:
Wir bieten:
Freude an der Modellierung elektromagnetischer Felder; Kenntnisse von
MATLAB erwünscht.
30% Theorie / 70% Simulation.
Forschungsnahe Masterarbeit in einer interessanten Forschungsumgebung.
Kontakt: ATE: Dr.-Ing. Andreas Rennings: andreas.rennings@uni-due.de
Prof. Dr. Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de
HLT: Dr.-Ing. Werner Prost: werner.prost@uni-due.de
Prof. Dr. F.-J. Tegude franz.tegude@uni-due.de

Masterarbeit
«Optical Inductors»
Bild 1: Resonantes Nanopartikel als mögliche Realisierung einer optischen Induktivität.
Metalle wie Gold oder Silber zeigen bei optischen Frequenzen ein stark dispersives Verhalten, was
bei entsprechenden Nanostrukturen zu interessanten Resonanzen führen kann, die ohne das
Vorhandensein von Metallen gar nicht möglich wären. Dies beschreibt – etwas salopp ausgedrückt –
die Perspektiven, welche sich der metall-basierten Optik, bzw. der Plasmonik eröffnen. Letztere
wird gerade im Zusammenhang mit der Nanophotonik gegenwärtig intensiv untersucht, da
plasmonische Nanostrukturen gute Kandidaten für die dicht integrierte Optik darstellen. In einer
kürzlich erschienen Publikation konnte sogar eine direkte Verbindung von solchen optischen
Nanostrukturen zur elektrischen Schaltungstechnik gezogen werden, indem man einzelnen
Elementen der Nanostruktur (z.B. Nanopartikel) elektrische Eigenschaften wie die einer Induktivität
oder einer Kapazität zuordnen konnte.
Das Ziel der Masterarbeit besteht in der Untersuchung von metallischen Nanostrukturen hinsichtlich
Ihrer Eignung als optische Induktivität. Eine mögliche Realisierung ist in Fig.1 abgebildet. Ein
wesentlicher Bestandteil der Arbeit besteht in der Entwicklung eines numerisch eindeutigen
Verfahrens zur Bestimmung der Induktivität bei gegebenen Stromdichteverteilungen bzw. auftretenden
Verschiebungsstromdichten. Weitere Arbeitsschritte beinhalten die Suche nach ggf.
besseren Strukturen und die Realisierung von eindimensionalen optischen Metamaterialien durch
entsprechende periodische Fortsetzung der gefundenen optischen Induktivitäten. Die hierbei
auftretende magnetische Verkopplung ermöglicht die Ausbreitung sogenannter magneto-induktiver
Wellen entlang der Struktur. Die Untersuchungen erfolgen unter Anwendung der numerischen Feldberechnungsplattform
COMSOL.
Die Themenstellung bezieht sich auf ein aktuelles Forschungsthema des Fachgebiets ATE und wird
daher mit regem Interesse begleitet und aktiv unterstützt.
Voraussetzungen:
Charakter der Arbeit:
Wir bieten:
Kenntnisse von MATLAB, Interesse an der Nanooptik/Nanophotonik.
30% Theorie, 20% Programmieren, 50% (numerisches) Experimentieren
Eine interessante Problemstellung aus den Nanowissenschaften.
Kontakt: Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de
Thorsten Liebig: thorsten.liebig@uni-due.de

Diplomarbeit / Masterarbeit:
«Der 'ultimative' optische Resonator»
Optische Resonatoren gehören mit zu den am universellsten einsetzbaren Bauelementen der
funktionalen integrierten Optik. Solche Resonatoren können z.B. aus einer kleinen dielektrischen
«Pille» bestehen mit Abmessungen im Mikrometerbereich und dienen der Realisierung z.B. von
voll-optischen Schaltern (Licht schaltet Licht), von schmalbandigen Filtern, optischen Sensoren,
optischen «Verzögerungsleitungen», von Lichtverstärkern und der Strukturierung von Leistungsflüssen
innerhalb sehr kleiner Längenskalen. Trotz der Tatsache, dass optische Resonatoren
eigentlich bestens erforscht sind, gibt es immer noch offene Fragestellungen, die sich bisher einer
überzeugenden Antwort widersetzt haben. Oder konkret gefragt: Welche maximale Resonatorgüte
Q lässt sich in einer Resonatorpille bei einem vorgegebenem Volumen V überhaupt erzielen?
Das Ziel der Diplom- bzw. Masterarbeit besteht somit in der Suche nach einer optimalen Gestalt
der Resonatorpille. Aufbauend auf den überraschenden Ergebnissen einer Vorstudie soll nun mit
Hilfe eines globalen numerischen Suchverfahrens, welches mit dem Finite-Elemente-basierten
Feldberechnungsprogramm COMSOL «verheiratet» wird, die optimale Form des Resonators
gefunden werden. Da diese Themenstellung auch Teil eines laufenden Forschungsvorhabens ist,
wird die Arbeit mit regem Interesse begleitet und auch sehr aktiv betreut.
Voraussetzungen:
Charakter der Arbeit:
Wir bieten:
Wissenschaftliche Neugier, Freude an der Grundlagenforschung.
20% Literaturstudium / 80% Simulation.
Mitarbeit in einem motivierten Forschungsteam am Fachgebiet
Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE).
Kontakt: Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de
Thorsten Liebig: thorsten.liebig@uni-due.de

Diplomarbeit / Masterarbeit:
«Die Modellierung der elektrischen Eigenschaften von
Nanokompositen mittels Random Resistor Networks»
Polykristallinen Materialien oder aus Nanopartikeln zusammengesetzte Nanokomposite können
sehr vielversprechende Materialeigenschaften aufweisen, welche sich zudem ingenieurtechnisch
mit der entsprechenden Prozesstechnologie direkt beeinflussen lassen. In dieser Abschlussarbeit
soll der aus einem Nanokomposit bestehende Leiter möglichst einfach und intuitiv modelliert
werden: Das Leitermaterial besteht aus schichtförmigen Ansammlungen von metallisch leitenden
"Nanokügelchen", welche sich teilweise berühren, wodurch – makroskopisch betrachtet – überhaupt
eine elektrische Stromleitung zustande kommt. Eine solche Anordnung leitender «Nanokügelchen»
lässt sich nun auf sehr einfache Weise als Zufalls-Widerstands-Netzwerk (random
resistor network) darstellen und elektrisch bezüglich der Gesamtimpedanz auswerten wobei hier
das Augenmerk vor allem auf dem Frequenzverhalten der elektrischen Größen liegt. Für die
Berechnung derart großer elektrischer Netzwerken (Knotenanzahl: 10 2 – 10 6 ) kommen äußerst
simple (!) und daher extrem effiziente Knoteneliminations-Algorithmen wie z.B. das Frank-Lobb-
Verfahren oder im dreidimensionalen Fall auch rekursive Transfer-Matrix-Verfahren zum Einsatz.
Das Ziel der Master-/Diplomarbeit besteht in der Analyse der Gesamtimpedanz eines 3D-Nanokomposit-Leiters,
wobei die Analyse bei beiden der angegebenen Verfahren zeitgleich mit der
(zufallsgesteuerten) Erzeugung des elektrischen Netzwerks erfolgen kann. Der Zufallsprozess soll
hierbei so gestaltet werden, dass sich die Aggregate der «Nanokügelchen» und die der Netzwerkwiderstände
möglichst ähnlich sehen. Die Ergebnisse können ggf. an vorhandenen Messdaten
überprüft werden. Die Themenstellung bezieht sich auf eine aktuelle Forschungsaktivität in beiden
Fachbebieten ATE und NST und wird daher mit regem Interesse begleitet und aktiv unterstützt.
Voraussetzungen:
Charakter der Arbeit:
Wir bieten:
Kontakt:
Kenntnisse von MATLAB, Interesse an der Nano-Forschung,
10% Theorie, 30% Programmieren, 60% numerisches Experimentieren
Eine interessante Forschungsumgebung in der ATE mit der Möglichkeit
einer übergreifenden Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet NST.
Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de

Angewandte industrienahe
Forschung

Bachelorarbeit:
«Optimierung einer konischen Hornantenne für eine
industrielle Radaranwendung bei 24 GHz»
Die zuverlässige berührungslose Messung von Medienflüssen und Füllständen gehört zu den wichtigsten
Grundaufgaben im Bereich der industriellen Messtechnik und Sensorik. International führend auf diesem
Gebiet ist die Duisburger Firma Krohne Messtechnik GmbH. Für die Füllstandsmessung mit Hilfe eines
Radarsystems soll nun eine konische Hornantenne optimiert werden, deren Abstrahlöffnung mittels eines
formschlüssigen dielektrischen Konus (siehe schattierter Bereich) gegen das zu messende Medium
hermetisch abgedichtet wird. Ein typisches Einsatzszenario solch dichter Hornantennen ist die Vermessung
von Tankfüllständen in der Lebensmittelindustrie.
Das Ziel dieser Bachelorarbeit besteht in der numerischen Modellierung und Optimierung der abgebildeten
Hornantenne für den Frequenzbereich von 20-24GHz. Die gerichtete Abstrahlcharakteristik hat eine Hauptkeulenbreite
aufzuweisen, welche den Öffnungswinkel von 12° nicht überschreiten soll. Die besondere
Herausforderung dieser Problemstellung liegt in der an der Grenzschicht zwischen dem Dielektrikum und der
Luft auftretenden Wellenreflexion, welche nun mit Hilfe einer Diskontinuität (ggf. auch mehrerer Diskontinuitäten)
im Antennenkonus (siehe Abmessungen L 1 und L 2 ) eingangsseitig wegkompensiert werden soll. Für
die Bearbeitung des geschilderten breitbandigen Anpassproblems eignet sich das im Fachgebiet ATE
entwickelte elektromagnetische Simulationsprogramm openEMS (www.openems.de) besonders gut, da dieser
FDTD-Feldsimulator numerisch sehr leistungsfähig ist und zylindrische Gitter unterstützt. Die Bachelorarbeit
wird in enger Zusammenarbeit mit der Firma Krohne Messtechnik GmbH (www.krohne.de) durchgeführt.
Voraussetzungen:
Charakter der Arbeit:
Wir bieten:
Freude an der Modellierung elektromagnetischer Felder; Kenntnisse von
MATLAB erwünscht.
30% Theorie / 70% Simulation.
Industrienahe Bachelorarbeit in einer interessanten Forschungsumgebung.
Kontakt: Prof. Dr. Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de
Dipl.-Ing. Thorsten Liebig: thorsten.liebig@uni-due.de

Masterarbeit:
«Elektromagnetische Modellierung poröser
dielektrischer Materialien»
Bei der Entwicklung kapazitiver Sensorik für den KFZ-Innenraum ist deren Funktion möglichst exakt durch
ein numerisches Modell zu beschreiben. In einer speziellen Anwendung werden niederfrequente elektrische
Sensoren im Fahrzeugsitz verbaut (siehe Abbildung), wobei das typische dielektrische Füllmaterial aus
geschichteten Schaumstofflagen besteht. Um die Funktionalität dieser neuartigen Sensortechnik für alle denkbaren
Betriebszustände garantieren zu können, müssen die dielektrischen Eigenschaften der geschichteten
porösen Sitzmaterialien (inklusive der Sitzbezüge) bestimmt und in ein entsprechendes Simulationsmodell
integriert werden. Insbesondere sind Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit und mechanische Belastung zu berücksichtigen.
Das Ziel dieser Masterarbeit besteht in der numerischen Modellierung von geschichteten, porösen,
Schaumstofflagen unter Verwendung eines bestehenden elektromagnetischen Simulationsprogramms. Die
Beschreibung der hierbei verwendeten Schaumstoffe erfolgt im Sinne eines anisotropen und frequenzabhängigen
effektiven Materialmodells für *(), welches hinsichtlich der betrachteten Umwelteinflüsse
parametrierbar sein soll. Die Arbeit wird vorwiegend bei der Firma IEE S.A. in Luxemburg (www.iee.lu)
durchgeführt, wo auch die entsprechende Messtechnik für die Validierung der Simulationsergebnisse zur
Verfügung steht.
Voraussetzungen:
Charakter der Arbeit:
Wir bieten:
Freude an der Modellierung elektromagnetischer Felder; Kenntnisse von
MATLAB, C++ sowie Englischkenntnisse erwünscht (guter Kommunikator).
30% Theorie / 60% Simulation / 10% Programmieren.
Industrienahe (entlöhnte) Masterarbeit bei der Firma IEE S.A. in Contern,
Luxemburg, dem innovativen Marktführer im Bereich Automotive Safety.
Kontakt: Prof. Dr. Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de

Masterarbeit
«SAR-Abschätzung unter Verwendung einer schnellen
Wasser/Fett-MRT-Bildgebung»
Die Bildgebung bei der Magnetresonanztomographie (MRT) beruht auf der Anregung und nachträglichen
Detektion von elektromagnetischen Hochfrequenzsignalen, welche durch die mit der
Larmorfrequenz präzedierenden magnetischen Dipolmomente der Wasserstoffkerne (Magnetresonanz)
des Gewebes in Abhängigkeit eines konstant angelegten, starken Magnetfeldes hervorgerufen
werden.
Bei der derzeit in Entwicklung befindlichen nächsten Generation von MRT-Geräten mit einer B 0-
Feldstärke von 7T werden derzeit völlig neue Anregungs- und Antennenkonzepte entworfen.
Gleichzeitig spielt die Patientensicherheit (d.h. der elektromagnetische Immissionsschutz) eine immer
wichtigere Rolle bei den immer höheren Flussdichten.
Ziel dieser Arbeit soll es sein, eine Matlab-Toolbox zu entwickeln, die Anhand schneller realer Fett
und Wasser gewichteter MRT-Daten ein einfaches 3D-Körpermodel des Patienten erstellt. Dieses
soll in dann in dem freien EC-FDTD Simulator „openEMS“ eingesetzt werden, um eine schnelle
SAR-Abschätzung durchzuführen (SAR steht für die spezifische Absorptionsrate im Gewebe). Mit
den so gewonnenen Informationen kann dann eine optimale Anregungskonfiguration für die neuartigen
Antennenkonzepte bestimmt werden, die eine möglichst optimale Bildgebung ermöglicht und
gleichzeitig die Einhaltung der gesetzlich vorgegebenen SAR-Grenzwerte garantiert.
Voraussetzungen:
Charakter der Arbeit:
Wir bieten:
Kontakt:
Interesse an elektromagnetischen Feldern, Kenntnisse von MATLAB
30% Theorie, 30% MATLAB, 20% numerische Simulationen,
20% Dokumentation
Eine interessante, anwendungsorientierte Problemstellung aus der
aktuellen Medizintechnik.
Thorsten Liebig: thorsten.liebig@uni-due.de
Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de

Diplomarbeit / Masterarbeit:
«Dynamische Charakterisierung von Stahlschmelzen
bei der Umlaufentgasung durch elektromagnetische
Messverfahren»
Bild 1: Schematische
Darstellung einer
Umlaufentgasungsanlage.
Die benötigten Reaktionen
in der Stahlschmelze
(unten im Tiegel) werden
mit Hilfe eines angelegten
Vakuums ausgelöst, wobei
das mechanische
Umrühren der flüssigen
Schmelze durch Zugabe
des (inerten) Edelgases
Argon erfolgt.
Das Umlaufentgasungsverfahren gehört zur Nachverarbeitung von Stahl (secondary metallurgy)
und kommt bei der Herstellung hochwertiger Edelstähle zum Einsatz. Bei der Entgasung wird an
der Stahlschmelze ein Vakuum angelegt, um die Ausgasungsreaktionen innerhalb der Schmelze
zu befördern. Die mechanische Durchmischung des leichtflüssigen Stahls erfolgt wiederum durch
Zugabe von Argon. Die Reaktionen bei der Umlaufentgasung haben eine sehr ausgeprägte
zeitliche Signatur, wobei viel Aktivität in der Anfangsphase auftritt, gefolgt von einem rasch
abklingenden Verlauf innerhalb von rund 20 Minuten. Um kürzere Prozesszeiten (z.B. 10 Minuten)
erzielen zu können, ist eine möglichst genaue Messung der Aktivität an der Oberfläche der
Stahlschmelze erforderlich. Dies ist leichter gesagt als getan, zumal die Prozesstemperatur bei
rund 1500°C liegt und potentielle Öffnungen, welche eine Beobachtung der Stahlschmelze
zulassen würden, innerhalb kürzester Zeit durch die aufspritzende Schmelze «verkleben» können.
Das Ziel der Master-/Diplomarbeit besteht daher in der Untersuchung von elektromagnetischen –
bisweilen auch indirekten – Messverfahren, beruhend auf induktiven oder kapazitiven Ansätzen.
Hierbei kommen sowohl numerische Verfahren als auch Modellmessungen zum Einsatz. Die
Themenstellung bezieht sich auf eine aktuelle Zusammenarbeit des Fachgebiets ATE mit einem
nahegelegenen Industriepartner und wird daher mit regem Interesse begleitet und aktiv unterstützt.
Voraussetzungen:
Charakter der Arbeit:
Wir bieten:
Kontakt:
Kenntnisse von MATLAB, Interesse an der angewandten Forschung
10% Theorie, 30% Programmieren, 60% (numerisches) Experimentieren
Eine interessante industrielle Problemstellung.
Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de

Bachelorarbeit
«Skalierungsverhalten von elektrischen Signaturen im
Kontext maßstabsgetreuer Schiffsmodelle»
U-Boote sind in erster Linie dazu konzipiert unauffällig und unbemerkt in gefährlichen Gebieten operieren zu
können. Aus diesem Grund wird ein immenser Aufwand betrieben um die U-Boote in jeglicher Hinsicht „unsichtbar“
zu machen, was unter Anderem die Minimierung von Lärmquellen an Bord (Akustische Signatur),
Magnetfeldern (Magnetische Signatur) und elektrischen Feldern (UEP Signatur) beinhaltet. Die UEP Signatur
hat ihre Ursache darin, dass U-Boote hauptsächlich aus Metall bestehen und daher prinzipiell anfällig für
Korrosion sind. Durch den Kontakt mit dem sie umgebenden Wasser treten elektrochemische Reaktionen
auf, welche zu einem Stromfluss durch das Wasser führen und eine chemische Umwandlung und Auflösung
der Metallteile zur Folge haben können. Um dieses zu verhindern, wird neben schützenden Anstrichen, Beschichtungen
und Ummantelungen oft auch ein sog. «Elektrischer Korrosionsschutz» (EKS) verwendet. All
diese Faktoren haben Einfluss auf den Stromfluss im Wasser und die damit verbundene UEP Signatur. Um
die Signaturen realer U-Boote zu untersuchen, werden bei der deutschen Marine maßstabsgetreue Modelle
verwendet, die mit relativ geringem Aufwand in einem kleinen Tank vermessen werden können.
Das Ziel der Arbeit besteht in der Simulation von UEP Signaturen für vereinfachte U-Boot-Geometrien (z.B.
Hohlzylinder geschützt mit einer galvanischen Anode) und einem anschließenden Vergleich mit den dazugehörigen
Signaturen von herunterskalierten, maßstabsgetreuen Modellen der gleichen Geometrien (ebenfalls
simuliert). Dabei spielen vor allem die nicht-linearen Phasenübergänge an den Grenzflächen zwischen metallischem
Leiter (Schiffshülle) und Ionenleiter/Elektrolyt (Wasser) eine Rolle, da sie bei der Skalierung eventuell
eine qualitative Änderung der Feldverteilungen hervorrufen könnten. Als Simulationsplattform wird das
FEM-Tool „COMSOL Multiphysics“ mit dem „Batteries & Fuel Cells Module“ verwendet.
Die Themenstellung bezieht sich auf eine aktuelle Forschungsaktivität in Zusammenarbeit mit der Marine der
Bundeswehr und wird daher mit regem Interesse begleitet und unterstützt. Auf eine ordentliche und anschauliche
Dokumentation wird besonderen Wert gelegt.
Voraussetzungen:
Charakter der Arbeit:
Wir bieten:
Kontakt:
Interesse an elektromagnetischen Feldern.
30% Theorie, 40% COMSOL Simulation, 30% detaillierte Dokumentation.
Eine interessante, anwendungsorientierte Problemstellung aus der Feldtheorie.
David Schäfer: david.schaefer@uni-due.de
Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de

Projektarbeit
«Wasserlinien- und Seebodeneinfluss auf das
elektrische Feld von Dipolanordnungen»
Schiffe bestehen heutzutage überwiegend aus Metall und sind daher anfällig für Korrosion. Durch den Kontakt
mit dem sie umgebenden Wasser treten elektrochemische Reaktionen auf, welche zu einem Stromfluss
durch das Wasser führen und eine chemische Umwandlung und Auflösung der Metallteile zur Folge haben
können. Um dieses zu verhindern, wird neben schützenden Anstrichen, Beschichtungen und Ummantelungen
oft auch ein sog. «Elektrischer Korrosionsschutz» (EKS) verwendet. Dabei macht man sich zu Nutze,
dass sich nur diejenigen Metallteile auflösen, an denen anodische Teilreaktionen ablaufen – die also positive
Ladungen an das Wasser (Elektrolyt) abgeben. Indem gesonderte passive oder aktive Anoden am Schiffsrumpf
angebracht werden, können alle restlichen Metallteile künstlich zu Kathoden gemacht und auf diese
Weise vor Korrosion geschützt werden.
Das Ziel der Arbeit besteht in der analytischen Berechnung und Visualisierung der Feldverteilungen des
elektrischen Feldes und des Stromdichtefeldes. Das EKS-System soll vereinfacht als Dipolanordnung für
verschiedenen Orientierungen (x-/y-/z-Dipol) betrachtet werden. Nach den Berechnungen im freien Wasser
sollen in einem zweiten Schritt die Wasserlinie (Von-Neumann-Rand) und der Seeboden (mit anderer Leitfähigkeit
als das Wasser) berücksichtigt werden. Dieses kann durch Anwendung der Spiegelungsmethode erreicht
werden. Von besonderem Interesse sind die Änderungen der Feldstärken an der Grenzschicht zwischen
Wasser und Seeboden. Es existieren für die Problemstellung bereits Daten aus numerischen Simulationen,
mit denen die berechneten Feldwerte verglichen werden können. Die Themenstellung bezieht sich
auf eine aktuelle Forschungsaktivität in Zusammenarbeit mit der Marine der Bundeswehr und wird daher mit
regem Interesse begleitet und unterstützt. Auf eine ordentliche und anschauliche Dokumentation wird besonderen
Wert gelegt.
Voraussetzungen:
Charakter der Arbeit:
Wir bieten:
Kontakt:
Interesse an elektromagnetischen Feldern, Kenntnisse von MATLAB erwünscht.
50% Theorie, 20% MATLAB Visualisierung, 20% detaillierte Dokumentation.
Eine interessante, anwendungsorientierte Problemstellung aus der Feldtheorie.
David Schäfer: david.schaefer@uni-due.de
Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de

Bachelorarbeit / Masterarbeit / Diplomarbeit:
«Modellierung elektrochemischer Vorgänge bei der
Simulation stationärer Strömungsfeldprobleme»
Schiffe bestehen heutzutage überwiegend aus Metall und sind daher anfällig für Korrosion. Durch den Kontakt
mit dem sie umgebenden Wasser treten elektrochemische Reaktionen auf, welche zu einem Stromfluss
durch das Wasser führen und eine chemische Umwandlung und Auflösung der Metallteile zur Folge haben
können. Um dieses zu verhindern, wird neben schützenden Anstrichen, Beschichtungen und Ummantelungen
oft auch ein sog. «Elektrischer Korrosionsschutz» (EKS) verwendet. Dabei macht man sich zu Nutze,
dass sich nur diejenigen Metallteile auflösen, an denen anodische Teilreaktionen ablaufen – die also positive
Ladungen an das Wasser (Elektrolyt) abgeben. Indem gesonderte passive oder aktive Anoden am Schiffsrumpf
angebracht werden, können alle restlichen Metallteile künstlich zu Kathoden gemacht und auf diese
Weise vor Korrosion geschützt werden.
Das Ziel der Arbeit besteht in der Untersuchung und möglichst einfachen Modellierung der zuvor beschriebenen
elektrochemischen Vorgänge im Kontext des EKS, um sie bei der numerischen Simulation des stationären
Strömungsfeldes im Wasser berücksichtigen zu können. Eine wichtige Rolle spielen in diesem Zusammenhang
die sog. «Polarisationsspannungen», die an der Grenzfläche zwischen Metall und Elektrolyt auftreten
und die in einem nichtlinearen Zusammenhang zur Stromdichte an der Metalloberfläche stehen. Mit Hilfe
von MATLAB soll das nichtlineare Verhalten der Polarisationsspannungen anhand von Polarisationskennlinien
mit einfachen analytischen Strömungsfeldberechnungen kombiniert werden. In einem zweiten Schritt sollen
entsprechend angepasste numerische Simulationen mit COMSOL (FEM) und/oder einem angepassten
statischen Solver (FDM) durchgeführt werden. Der Umfang des zweiten Aufgabenteils richtet sich nach der
Art der Abschlussarbeit (Bachelor-/Master-/Diplomarbeit). Die Themenstellung bezieht sich auf eine aktuelle
Forschungsaktivität in Zusammenarbeit mit der Marine der Bundeswehr und wird daher mit regem Interesse
begleitet und unterstützt.
Voraussetzungen:
Charakter der Arbeit:
Wir bieten:
Kontakt:
Kenntnisse von MATLAB, Interesse an Computerorientierter Feldtheorie.
20% Theorie, 40% Programmieren, 40% numerisches Experimentieren.
Eine interessante Problemstellung aus der «Elektrochemie» und der
«Computerorientierten Feldtheorie».
David Schäfer: david.schaefer@uni-due.de
Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de

Projektarbeit / Bachelorarbeit
«Modellierung der Temperaturabhängigkeit einer
dünnen aufgedampften Metallschicht»
In der analytischen Gaschromatographie (Analyse der Zusammensetzung von Gasen) wird eine Meßmethode
mit dem Namen „Thermodesorption“ angewendet, bei der ein dünnes Glasröhrchen schnell und kontrolliert auf
ca. 350 °C aufgeheizt werden muss. Dabei wird mittels eines Gasstromes das Sorbens (der Stoff im Inneren
des Röhrchens) ausgeheizt, und damit die enthaltenen Stoffe zum Analysesystem ausgeschwemmt. Bislang
werden die Glasröhrchen innerhalb eines metallischen Blocks mittels Heizpatronen erhitzt, wobei die
Temperatur innerhalb des Heizblockes als Referenz herangezogen wird. Dieser Ansatz führt aber aufgrund der
hohen thermischen Masse der Gesamtanordnung zu langsamen Heizraten. Eine Aussage zur Temperatur des
Sorbens ist nur mittelbar über den Temperaturfühler möglich.
Daher soll eine neue Möglichkeit der Heizung untersucht werden, bei der eine dünne Metallschicht direkt auf
das Glasröhrchen aufgedampft und als Widerstandsheizung verwendet wird (siehe Bild). Aufgrund des
bekannten Temperaturkoeffizienten des aufgedampften Metalls ist über eine Widerstandsmessung auch die
Temperatur bestimmbar. Um die korrekte Beladung des Röhrchens mit Sorbens kontrollieren zu können
muss der Blick in das Innere des Glasröhrchens möglich sein, so dass die Metallbeschichtung nicht flächendeckend
sein darf, sondern Sichtfenster ausgespart werden müssen.
Das Ziel der Arbeit besteht in der analytischen Berechnung und Visualisierung der Feldverteilungen des Stromdichtefeldes
und der resultierenden Temperaturverteilung. Neben einfachen analytischen Abschätzungen sollen
numerische Simulationen durchgeführt werden. Zusätzlich zur Simulation bereits bestehender Prototypen
sollen auch weitere Bedampfungsstrukturen überlegt auf ihre Eignung untersucht werden.
Die Themenstellung bezieht sich auf eine aktuelle Entwicklung in einer externen Firma und wird daher mit
regem Interesse begleitet und unterstützt. Auf eine ordentliche und anschauliche Dokumentation wird besonderen
Wert gelegt.
Voraussetzungen:
Charakter der Arbeit:
Wir bieten:
Kontakt:
Interesse an elektromagnetischen Feldern.
20% Theorie, 50% numerische Simulation, 30% detaillierte Dokumentation.
Eine interessante, anwendungsorientierte Problemstellung aus der Feldtheorie.
David Schäfer: david.schaefer@uni-due.de
Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de

Diplomarbeit / Masterarbeit:
«Elektromagnetische FEM Analyse eines schnellen
wirbelstromgetriebenen Gasventils für den
Fusionsreaktor ITER»
Am Forschungszentrum Jülich wurde ein Konzept für ein schnelles Ventil zur Injektion großer Gasmengen
entwickelt. Dieses kommt an Experimenten zur kontrollierten Kernfusion zum Einsatz, um dort Belastungen
während kritischer Betriebszustände abzuschwächen. Der Ventilantrieb basiert auf dem Wirbelstromprinzip
und ermöglicht Öffnungszeiten im Millisekundenbereich. Eine besondere Herausforderung ist, dass das Ventil
im Bereich hoher Magnetfelder von mehreren Tesla sicher funktionieren muss.
In dieser Arbeit soll ein zylindersymmetrisches Finite-Elemente-Modell dieses Ventils aufgesetzt werden. Mit
Hilfe dieses Modells werden dann elektromagnetische Berechnungen durchgeführt; zum einen bezüglich der
Optimierung des Wirbelstromantriebs und zum anderen, um die Auswirkungen des hohen Magnetfeldes in der
Umgebung des Fusionsexperiments auf die Ventileigenschaften zu studieren. Dies beinhaltet die Berechnung
der Ströme in der Antriebsspule inklusive des gesamten Stromkreises sowie die induzierten Ströme im
Ventilstößel, die Berechnung der Stößelbewegung sowie die Berechnung der entstehenden Kräfte auch in
Bezug auf die Materialgrenzen. Die Ergebnisse dieser Arbeit fließen unmittelbar in die Entwicklung eines
Prototyps dieses Ventils für den derzeit im Bau befindlichen weltweit ersten (und größten) Fusionsreaktor ITER
(cf. Abbildung) in Cadarache, Frankreich, ein. Die Arbeit wird vorwiegend am Forschungszentrum Jülich
(Institut für Energieforschung – Plasmaphysik) durchgeführt.
Voraussetzungen:
Charakter der Arbeit:
Wir bieten:
Freude an den magnetischen Feldern und der Energietechnik; Kenntnisse von
ANSYS und MATLAB erwünscht; gute/r Kommunikator/in.
20% Theorie / 60% Simulation / 20% Programmieren.
Eine anwendungsnahe Forschungsumgebung am Forschungszentrum Jülich
und im Fachgebiet für Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE).
Kontakt: Prof. Dr. Daniel Erni: daniel.erni@uni-due.de
Dr. Olaf Neubauer: o.neubauer@fz-juelich.de