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Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) sind organische Verbindungen aus Kohlenstoffketten, bei denen die Wasserstoffatome vollständig oder teilweise durch Fluoratome ersetzt sind. Die starken chemischen Bindungen zwischen Kohlenstoff- und Fluor-Atomen in PFAS führen zu sehr stabilen Substanzen mit besonders nützlichen Eigenschaften wie chemischer Inertheit, Wasserabweisung, Schmierwirkung, Antihaftwirkung, Feuerbeständigkeit und Hitzebeständigkeit. Sie sind jedoch nur schwer biologisch abbaubar sind und lassen sich daher in der Umwelt nur schwer zersetzen (Ye et al. 2015).
PFAS werden in vielen Anwendungsfeldern in der Industrie und in Endprodukten eingesetzt, wie z. B. in der industriellen Produktion, in Dichtungen, Schmierstoffen, Verpackungen, Metallbeschichtung, in Medizintechnik-Produkten, elektronischen Geräten, Solarzellen, Brennstoffzellen, Batterien, im Baubereich und auch in Consumer-Produkten in Textilien, Kochgeschirr und Kosmetik (Glüge et al. 2020, ECHA 2023). Aufgrund ihrer Wirkungen auf Umwelt und Menschen und ihrer Persistenz in der Umwelt werden PFAS aktuell stark diskutiert und auf EU-Ebene wurde eine Initiative hin zu möglichen Stoffverboten angestoßen (ECHA 2023). Unternehmen aus Baden-Württemberg und ganz Europa suchen inzwischen Substitute für die Anwendung von PFAS, um bei einem möglichen Stoffverbot Alternativen zur Verfügung zu haben.
In dieser Metastudie wird daher eine Übersicht über mögliche Stoffe und Stoffgruppen gegeben, die das Potenzial besitzen, die technischen Funktionen von PFAS zu ersetzen. Dies wird an ausgewählten Beispielen vertieft untersucht.
Unter Nutzung von Softwaretools auf Basis von Künstlicher Intelligenz (KI) wurden mögliche Substitute identifiziert und strukturiert ausgewertet. Nach der Analyse von 35.246 wissenschaftlichen Dokumenten weltweit wurden 420 Materialien und deren Zusammenfassung in 32 Klassen für fünf beteiligte namhaften Unternehmen aus Baden-Württemberg identifiziert. Nach genauerer Analyse der Anforderungen der beteiligten Unternehmen konnte nur eine sehr begrenzte Anzahl potenzieller Ersatzstoffe ermittelt werden, die PFAS nach heutigem Stand partiell substituieren könnten.
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are organic compounds consisting of carbon chains in which the hydrogen atoms are completely or partially replaced by fluorine atoms. The strong chemical bonds between carbon and fluorine atoms in PFAS lead to very stable substances with particularly useful properties such as chemical inertness, water repellency, lubricity, non-stick properties, fire resistance and heat resistance. However, they are not readily biodegradable and are therefore difficult to break down in the environment (Ye et al. 2015).
PFAS are used in many fields of application in industry and in end products, such as in industrial production, in seals, lubricants, packaging, metal coatings, in medical technology products, electronic devices, solar cells, fuel cells, batteries, in the construction sector and also in consumer products in textiles, cookware and cosmetics (Glüge et al. 2020, ECHA 2023). Due to their effects on the environment and humans and their persistence in the environment, PFAS are currently the subject of much debate and an initiative has been launched at EU level to potentially ban substances (ECHA 2023). Companies from Baden-Württemberg and all over Europe are now looking for substitutes for the use of PFAS in order to have alternatives available in the event of a possible substance ban.
This meta-study therefore provides an overview of possible substances and substance groups that have the potential to replace the technical functions of PFAS. This is analysed in depth using selected examples.
Using software tools based on artificial intelligence (AI), possible substitutes were identified and analysed in a structured manner. After analysing 35,246 scientific documents worldwide, 420 materials and their summary in 32 classes were identified for five participating well-known companies from Baden-Württemberg. After analysing the requirements of the participating companies in more detail, only a very limited number of potential substitutes could be identified that could partially replace PFAS as things stand today.
Open-Source Software (OSS) has played a central role in shaping the modern digital environment. Over the last five decades, many business models have evolved around value creation with OSS. However, there remains a noticeable hesitation among businesses, especially in German Small and Medium Enterprises (SMEs). This thesis offers a comprehensive overview of essential aspects of business strategy, licensing, and community management related to OSS. Utilizing a taxonomy-based approach, we examine three case studies relevant to German SMEs, aiming to derive actionable insights for businesses considering active involvement in OSS. By integrating public data with insights from participating company decision-makers, this research raises evidence in support of certain business strategies: It highlights the importance of a tailored user segmentation strategy and careful calibration of free and commercial offerings. It suggests the importance of a symbiotic community relationship and a balanced approach towards community governance. The analysis also presents evidence indicating the resilience of the Direct-sale revenue mechanism, and conversely, the possible vulnerabilities of Infrastructure-based models to intermediation. The thesis concludes by discussing current OSS trends and suggesting strategies considering trends such as licensing challenges and emerging software supply chain threats.
In den letzten Jahren hat sich die Art und Weise, wie Datenzentren betrieben werden, stark verändert. Eine der wichtigsten Entwicklungen in diesem Bereich ist die zunehmende Verwendung von Virtualisierungstechnologien, die es ermöglichen, den Betrieb des Gesamtsystems und der angebotenen Dienste zu optimieren und zu vereinfachen. Ein weiteres wichtiges Thema im Zusammenhang mit Datenzentren ist die Automatisierung von Prozessen, insbesondere im Bereich des Deployments und des Monitorings. Ein interessantes Anwendungsgebiet für diese Technologien ist der Einsatz von Raspberry Pi in Datenzentren. Der Raspberry Pi ist ein kostengünstiger und leistungsfähiger Computer, der in vielen Anwendungen eingesetzt werden kann, einschließlich des Aufbaus von Datenzentren. Die Einsatzmöglichkeiten von Raspberry Pi erstrecken sich von der Verwendung als einfache Web-Server bis hin zu komplexen Anwendungen wie dem Aufbau von Cloud-Computing-Umgebungen. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, Werkzeuge zur Verfügung zu haben, die das Monitoring und Deployment von neuen Diensten und Anwendungen in einem Raspberry Pi Datenzentrum automatisieren können. Automatisierte Deployment-Prozesse ermöglichen es, neue Dienste und Anwendungen schnell und einfach in einem Datenzentrum bereitzustellen, ohne dass manuelle Schritte erforderlich sind. Auf diese Weise kann die Zeit, die für die Bereitstellung von neuen Diensten und Anwendungen benötigt wird, erheblich reduziert werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein automatisiertes Deployment-System für Raspberry Pi Datenzentren zu entwickeln, das es ermöglicht, neue Dienste und Anwendungen schnell und einfach bereitzustellen. Dabei sollen sowohl die Automatisierung der Deployment-Prozesse als auch die Möglichkeiten des Monitorings berücksichtigt werden. Durch die Verwendung von Raspberry Pi und automatisierten Deployment-Prozessen soll es möglich sein, ein kosteneffizientes und leistungsfähiges Datenzentrum aufzubauen.
Um Energiesysteme hinsichtlich minimaler Umweltwirkungen zu planen und zu optimieren, werden unter anderem technologiespezifische Daten von Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie benötigt. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, eine solche Datengrundlage für Kleinwindenergieanlagen zu schaffen, um diese in ein ökobilanzbasiertes Energiesystemmodell zu integrieren. Teil dieser Datengrundlage sind Sachbilanzdaten einer Kleinwindenergieanlage, die mithilfe einer ökobilanziellen Untersuchung erzeugt werden. Mit einem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Skalierungsmodell lassen sich diese Sachbilanzdaten auf Kleinwindenergieanlagen unterschiedlicher Größe skalieren. Um auch Kosten als Kriterium im Energiesystemmodell zu berücksichtigen, werden die Investitions- und Betriebskosten der Anlage abgeschätzt.
Mithilfe einer Ertragsprognose für einen gewählten Standort in Süddeutschland und der Wirkungsabschätzung werden über den Lebenszyklus einer Kleinwindenergieanlage entstehende Umweltwirkungen je erzeugter Energieeinheit analysiert und ausgewertet. Insbesondere in Bezug auf das Treibhauspotential und die Verknappung fossiler Energieträger zeigt die Energieerzeugung durch die Kleinwindenergieanlage Vorteile verglichen mit dem deutschen Strommix. Das Verknappungspotential von Mineralien und Metallen ist dagegen bei der Kleinwindenergieanlage um ein Vielfaches größer. Die Berechnung von Amortisationszeiten und Stromgestehungskosten erfolgt auf Basis der Investitions- und Betriebskosten und ermöglicht eine Einordnung der Wirtschaftlichkeit. Hierbei zeigt sich, dass die Stromgestehungskosten der betrachteten Kleinwindenergieanlage deutlich höher liegen als bei anderen etablierten erneuerbaren Energieerzeugern.
Mit der Magnetpartikelspektroskopie (MPS) steht ein empfindliches Messverfahren für den spezifischen Nachweis von magnetischen Nanopartikeln (MNP) zur Verfügung. Das Verfahren beruht auf der Detektion der nicht-linearen magnetischen dynamischen Suszeptibilität der MNP und eignet sich neben dem direkten Nachweis der MNP auch zur Untersuchung der biologischen Umgebung der MNP in biomedizinischen Anwendungen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird das MPS für den Nachweis von Biomolekülen über die Quervernetzung mit MNP untersucht. Als Modellsystem für eine Quervernetzung werden MNP unterschiedlicher Größe eingesetzt, deren organische Hülle mit Streptavidin funktionalisiert ist. Streptavidin ist ein Protein, das spezifisch an Biotin bindet. Des Weiteren wird biotinyliertes BSA (B-BSA) verwendet, das aufgrund mehrerer Biotin-Bindungsstellen die Quervernetzung der MNP ermöglicht. Die spezifische Bindung der Streptavidinmoleküle auf der Oberfläche der MNP an Biotin auf der Oberfläche des BSA führt zu einer Quervernetzung der MNP. Durch die Zunahme des hydrodynamischen Durchmessers der MNP-Agglomerate resultiert ein verändertes dynamisches Magnetisierungsverhalten, das mit Hilfe der MPS gemessen werden kann. Damit hat der Bindungszustand bzw. der Grad der Quervernetzung der MNP einen Einfluss auf das MPS-Signal.
Zur Etablierung der MPS zum Nachweis des Biomoleküls BSA werden Versuchsreihen mit unterschiedlichen Konzentrationsverhältnissen zwischen MNP und B-BSA durchgeführt. Hierbei wird die Abhängigkeit, der durch die Quervernetzung induzierten MPS-Signaländerung, von der Anregungsfeldstärke untersucht. Des Weiteren wird der Einfluss der Inkubationszeit der Proben und der Einfluss eines äußeren Feldes während der Inkubation auf den Grad der Quervernetzung untersucht. Aus den Analysen wird die Nachweisgrenze der Methodik, die Menge an gebundenem BSA und die Sensitivität des Nachweises ermittelt. Die Spezifität der Methodik wird anhand eines Kontrollexperiments mit freiem Biotin bestimmt. Zum Vergleich des Nachweises mit bereits etablierten MNP-basierten Verfahren wird die Kernspin-Relaxometrie (NMR-Relaxometrie) herangezogen.
Es wird das Coaching-Konzept im Detail beschrieben. Voraussetzung für seine Anwendung ist eine Innovationsidee, die aus den Nachhaltigkeitsperspektiven betrachtet werden soll. Das Coaching-Konzept basiert auf einem iterativen Prozess aus konzeptioneller Arbeit sowie Anwendungstests zur Validierung und Optimierung. Es wurde im Rahmen der Entrepreneurship Education an der Hochschule Pforzheim entwickelt und seit 2018 im Rahmen der Veranstaltung „Startup Summer Camp – Sustainable Innovation“ mit dem Schwerpunkt „Nachhaltige Innovation“ angeboten.
Es werden Impulse zu den Zielen der nachhaltigen Entwicklung gegeben. Ein Schwerpunkt ist die Integration von Ökobilanzierung, Bewertung von sozialen Aspekten, Einschätzung des Beitrags zu den SDGs, Life Cycle Thinking und Ökodesign. Dies gibt den Teilnehmenden die Möglichkeit, sich auszuprobieren und eine eigene „nachhaltige Geschäftsidee“ zu entwickeln. Hierzu wird das Bewertungsinstrument „Green Check Your Idea“ (GCYI) (Lang-Koetz et al. 2020) vorgestellt und in Teilen auf die Ideen der Teilnehmenden angewendet. Mit Hilfe der Anwendung des Tools während des Coachings kann ein Verständnis für die Komplexität der Entstehung von Umweltauswirkungen unter Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus vermittelt werden. Das Coaching wird durch Impulsvorträge und kurze Übungen zu verschiedenen Nachhaltigkeitsaspekten begleitet.