Nachwuchsgruppe im Emmy Noether-Programm (1. Förderphase)

Reaktive Partike-beladene Strömungen spielen eine zentrale Rolle in zwei aufkommenden Technologien, die unseren Übergang zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft und die Industrialisierung Zell-basierter Therapieformen ermöglichen können. Im Rahmen der ersten Technologie werden Pulver aus Metallpartikeln unter Energiefreisetzung verbrannt und in Oxidpartikel umgewandelt. Diese entladenen Energieträger werden anschließend aus den Abgasen separiert und mit Hilfe von Energie aus regenerativen Quellen in reine Metalle zurückgewandelt. Fragen, die dabei noch offen sind, betreffen vor allem die Größenverteilung der bei der Verbrennung gebildeten Oxidpartikel, den Ausstoß von gasförmigen Schadstoffen und den erreichbaren Umwandlungsgrad. Die zweite aufkommende Technologie beinhaltet die Kultivierung von mesenchymalen Stammzellen auf Mikroträgern in Rührreaktoren. Hier besteht unser Ziel darin, das Zellwachstum unter Berücksichtigung möglicher Substratlimitierungen vorherzusagen und Empfehlungen für Betriebsstrategien abzuleiten. Um Einblicke in die Verbrennung von Metallstäuben und die Kultivierung von Zellen in Bioreaktoren zu erhalten, entwickeln wir ein allgemeines, übertragbares Modellierungsrahmenwerk, das eine Brücke zwischen kleinskaligen Fluid-Partikel-Wechselwirkungen und großskaligen Beobachtungsvariablen schlägt. Da die Partikelpopulation auf eine statistische Art beschrieben wird, führt die Modellformulierung auf hochdimensionale Entwicklungsgleichungen, die mit Hilfe einer eingebetteten Modellreduktion oder einer statistischen Approximation rechnergestützt gelöst werden. Im ersten Förderabschnitt liegt unser Fokus auf der Formulierung der Modellgleichungen für das Verhalten der reagierenden Metallpartikel und der Zell-beladenen Mikroträger. Darüber hinaus werden die rechnergestützten Lösungsverfahren entwickelt und hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Konvergenzeigenschaften untersucht.