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Thermoacoustic technology emerges as a sustainable and low-carbon method for energy conversion, leveraging environmentally friendly working mediums and independence from electricity. This study presents the development of a multimode heat-driven thermoacoustic system designed to utilize medium/low-grade heat sources for room-temperature cooling and heating. We constructed both a simulation model and an experimental prototype for a single-unit direct-coupled thermoacoustic system, exploring its performance in heating-only, cooling-only, and hybrid heating and cooling modes. Internal characteristic analysis including an examination of internal exergy loss and a distribution analysis of key parameters was first conducted in the hybrid cooling and heating mode. The results indicated a positive-focused traveling-wave-dominant acoustic field within the thermoacoustic core unit, enhancing energy conversion efficiency. The output system performance was subsequently tested under different working conditions in the heating-only and cooling-only modes. A maximum output heating power of 2.3 kW and a maximum COPh of 1.41 were observed in the heating-only mode. Meanwhile, a cooling power of 748 W and a COPc of 0.4 were obtained in the typical cooling condition at 7 °C when operating in cooling-only mode. These findings underscore the promising potential of thermoacoustic systems for efficiently utilizing medium/low-grade heat sources for cooling and/or heating applications in the future.

Thermoacoustic technology emerges as a sustainable and low-carbon method for energy conversion, leveraging environmentally friendly working mediums and independence from electricity. This study presents the development of a multimode heat-driven thermoacoustic system designed to utilize medium/low-grade heat sources for room-temperature cooling and heating. We constructed both a simulation model and an experimental prototype for a single-unit direct-coupled thermoacoustic system, exploring its performance in heating-only, cooling-only, and hybrid heating and cooling modes. Internal characteristic analysis including an examination of internal exergy loss and a distribution analysis of key parameters was first conducted in the hybrid cooling and heating mode. The results indicated a positive-focused traveling-wave-dominant acoustic field within the thermoacoustic core unit, enhancing energy conversion efficiency. The output system performance was subsequently tested under different working conditions in the heating-only and cooling-only modes. A maximum output heating power of 2.3 kW and a maximum COPh of 1.41 were observed in the heating-only mode. Meanwhile, a cooling power of 748 W and a COPc of 0.4 were obtained in the typical cooling condition at 7 °C when operating in cooling-only mode. These findings underscore the promising potential of thermoacoustic systems for efficiently utilizing medium/low-grade heat sources for cooling and/or heating applications in the future.

In industrialized countries, large amounts of mineral wastes are produced. They are re-used in various ways, particularly in road and earth constructions, substituting primary resources such as gravel. However, they may also contain pollutants, such as heavy metals, which may be leached to the groundwater. The toxic impacts of these emissions are so far often neglected within Life Cycle Assessments (LCA) of products or waste treatment services and thus, potentially large environmental impacts are currently missed. This study aims at closing this gap by assessing the ecotoxic impacts of heavy metal leaching from industrial mineral wastes in road and earth constructions. The flows of metals such as Sb, As, Pb, Cd, Cr, Cu, Mo, Ni, V and Zn originating from three typical constructions to the environment are quantified, their fate in the environment is assessed and potential ecotoxic effects evaluated. For our reference country, Germany, the industrial wastes that are applied as Granular Secondary Construction Material (GSCM) carry more than 45,000 t of diverse heavy metals per year. Depending on the material quality and construction type applied, up to 150 t of heavy metals may leach to the environment within the first 100 years after construction. Heavy metal retardation in subsoil can potentially reduce the fate to groundwater by up to 100%. One major challenge of integrating leaching from constructions into macro-scale LCA frameworks is the high variability in micro-scale technical and geographical factors, such as material qualities, construction types and soil types. In our work, we consider a broad range of parameter values in the modeling of leaching and fate. This allows distinguishing between the impacts of various road constructions, as well as sites with different soil properties. The findings of this study promote the quantitative consideration of environmental impacts of long-term leaching in Life Cycle Assessment, complementing site-specific risk assessment, for the design of waste management strategies, particularly in the construction sector.

In industrialized countries, large amounts of mineral wastes are produced. They are re-used in various ways, particularly in road and earth constructions, substituting primary resources such as gravel. However, they may also contain pollutants, such as heavy metals, which may be leached to the groundwater. The toxic impacts of these emissions are so far often neglected within Life Cycle Assessments (LCA) of products or waste treatment services and thus, potentially large environmental impacts are currently missed. This study aims at closing this gap by assessing the ecotoxic impacts of heavy metal leaching from industrial mineral wastes in road and earth constructions. The flows of metals such as Sb, As, Pb, Cd, Cr, Cu, Mo, Ni, V and Zn originating from three typical constructions to the environment are quantified, their fate in the environment is assessed and potential ecotoxic effects evaluated. For our reference country, Germany, the industrial wastes that are applied as Granular Secondary Construction Material (GSCM) carry more than 45,000 t of diverse heavy metals per year. Depending on the material quality and construction type applied, up to 150 t of heavy metals may leach to the environment within the first 100 years after construction. Heavy metal retardation in subsoil can potentially reduce the fate to groundwater by up to 100%. One major challenge of integrating leaching from constructions into macro-scale LCA frameworks is the high variability in micro-scale technical and geographical factors, such as material qualities, construction types and soil types. In our work, we consider a broad range of parameter values in the modeling of leaching and fate. This allows distinguishing between the impacts of various road constructions, as well as sites with different soil properties. The findings of this study promote the quantitative consideration of environmental impacts of long-term leaching in Life Cycle Assessment, complementing site-specific risk assessment, for the design of waste management strategies, particularly in the construction sector.

Um den weltweit wachsenden Energiebedarf zu decken, müssen die Anstrengungen zur Entwicklung hocheffizienter Batteriesysteme verstärkt werden. Die modernste Technologie, die Lithium-Ionen-Batterie (LIB), gilt als unumstritten und ist daher in fast allen mobilen Geräten zu finden. Trotz ihres unbestreitbaren Wertes für die Menschheit sind die Ressourcen an Lithium, Nickel, Kobalt und anderen wesentlichen Elementen begrenzt. Aus diesem Grund stellen metallfreie, organische Batterien einewünschenswerte Alternative dar. Metallorganische Radikalbatterien, die auf nitroxylhaltigen Polymeren wie Poly(2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxymethacrylat) (PTMA) basieren, wurden erstmals 2002 veröffentlicht, und kurz darauf wurde die erste rein organische Radikalbatterie (ORB) vorgestellt. Ein großerNachteil der organischenMaterialien ist allerdings ihre vergleichsweise geringe spezifische Kapazität, da ein großer Anteil ihrer Masse nicht an den elektrochemischen Prozessen beteiligt ist, sondern z.B. der strukturellen Stabilität von Nitroxid-Radikalen dient. Um dieses Problem zu überwinden, wurden neue Klassen von nicht-radikalischen redoxaktiven Polymeren auf der Basis von Cyclopropeniumkationen und Quadratsäureamiden untersucht. Die funktionellen Gruppen bestanden aus den kleinsten molekularen Zyklen (d.h. drei- und viergliedrigen Zyklen), welche aufgrund ihrer aromatischenNatur hohe Redoxpotentiale und Zyklenstabilität aufwiesen. Obwohl beide funktionellen Gruppen seit Jahrzehnten bekannt sind, wurde erst in den letzten Jahren die Anwendung von Cyclopropenium-Kationen als hochpotente Katholyten in Redox-Flow- Batterien (RFBs) untersucht. Soweit wir wissen, sind Quadratsäureamide seit Hünigs grundlegenden elektrochemischen Studien im Jahr 1977 nicht mehr mit dem Fokus auf Batterieanwendungen untersucht worden. Aus diesem Grund wurden neue Polymere synthetisiert, die mit Aminocyclopropeniumkationen (ACPs) und Quadratsäureamidderivaten (SAA), insbesondere Quadratsäurechinoxalinen (SQXs), dekoriert waren. Ihre physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften wurden im Hinblick auf ihre Verwendung als organisches Kathodenmaterial für Batterien untersucht. Während die synthetisierten ACP-Polymerverbindungen sehr hygroskopisch waren und irreversible Oxidationen in Lösung unterlaufen sind, stellten sich die SAA-Polymere als vielversprechender heraus. Es konnte demonstriert werden, dass vor allem die SQX-Polymere vorteilhafte Charakteristiken wie eine hohe thermische Stabilität und reversible Redoxeigenschaften in Lösung aufweisen. In nachfolgenden galvanostatischen Zyklisierungen wurde die Leistung von ausgewählten Polymeren in Lithium Halbzellen untersucht. Ein SQX Polymer ist dabei besonders herausgestochen durch seine sehr hohe Zyklisierbarkeit über einhundert Zyklen. Obwohl die erste Entladekapazität (43.7 mAh g−1) deutlich niedriger als die theoretische Kapazität war (66.8 mAh g−1), blieben nach 100 Zyklen 91 % der ersten Entladekapazität (39.8 mAh g−1) erhalten. Es wird erwartet, dass durch weitere Untersuchungen an kritischen Faktoren für die elektrochemischen Eigenschaften diese neuen redoxaktiven SQX Polymere einen signifikanten Beitrag zu der Entwicklung von organischen Batterien leisten werden.

Um den weltweit wachsenden Energiebedarf zu decken, müssen die Anstrengungen zur Entwicklung hocheffizienter Batteriesysteme verstärkt werden. Die modernste Technologie, die Lithium-Ionen-Batterie (LIB), gilt als unumstritten und ist daher in fast allen mobilen Geräten zu finden. Trotz ihres unbestreitbaren Wertes für die Menschheit sind die Ressourcen an Lithium, Nickel, Kobalt und anderen wesentlichen Elementen begrenzt. Aus diesem Grund stellen metallfreie, organische Batterien einewünschenswerte Alternative dar. Metallorganische Radikalbatterien, die auf nitroxylhaltigen Polymeren wie Poly(2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxymethacrylat) (PTMA) basieren, wurden erstmals 2002 veröffentlicht, und kurz darauf wurde die erste rein organische Radikalbatterie (ORB) vorgestellt. Ein großerNachteil der organischenMaterialien ist allerdings ihre vergleichsweise geringe spezifische Kapazität, da ein großer Anteil ihrer Masse nicht an den elektrochemischen Prozessen beteiligt ist, sondern z.B. der strukturellen Stabilität von Nitroxid-Radikalen dient. Um dieses Problem zu überwinden, wurden neue Klassen von nicht-radikalischen redoxaktiven Polymeren auf der Basis von Cyclopropeniumkationen und Quadratsäureamiden untersucht. Die funktionellen Gruppen bestanden aus den kleinsten molekularen Zyklen (d.h. drei- und viergliedrigen Zyklen), welche aufgrund ihrer aromatischenNatur hohe Redoxpotentiale und Zyklenstabilität aufwiesen. Obwohl beide funktionellen Gruppen seit Jahrzehnten bekannt sind, wurde erst in den letzten Jahren die Anwendung von Cyclopropenium-Kationen als hochpotente Katholyten in Redox-Flow- Batterien (RFBs) untersucht. Soweit wir wissen, sind Quadratsäureamide seit Hünigs grundlegenden elektrochemischen Studien im Jahr 1977 nicht mehr mit dem Fokus auf Batterieanwendungen untersucht worden. Aus diesem Grund wurden neue Polymere synthetisiert, die mit Aminocyclopropeniumkationen (ACPs) und Quadratsäureamidderivaten (SAA), insbesondere Quadratsäurechinoxalinen (SQXs), dekoriert waren. Ihre physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften wurden im Hinblick auf ihre Verwendung als organisches Kathodenmaterial für Batterien untersucht. Während die synthetisierten ACP-Polymerverbindungen sehr hygroskopisch waren und irreversible Oxidationen in Lösung unterlaufen sind, stellten sich die SAA-Polymere als vielversprechender heraus. Es konnte demonstriert werden, dass vor allem die SQX-Polymere vorteilhafte Charakteristiken wie eine hohe thermische Stabilität und reversible Redoxeigenschaften in Lösung aufweisen. In nachfolgenden galvanostatischen Zyklisierungen wurde die Leistung von ausgewählten Polymeren in Lithium Halbzellen untersucht. Ein SQX Polymer ist dabei besonders herausgestochen durch seine sehr hohe Zyklisierbarkeit über einhundert Zyklen. Obwohl die erste Entladekapazität (43.7 mAh g−1) deutlich niedriger als die theoretische Kapazität war (66.8 mAh g−1), blieben nach 100 Zyklen 91 % der ersten Entladekapazität (39.8 mAh g−1) erhalten. Es wird erwartet, dass durch weitere Untersuchungen an kritischen Faktoren für die elektrochemischen Eigenschaften diese neuen redoxaktiven SQX Polymere einen signifikanten Beitrag zu der Entwicklung von organischen Batterien leisten werden.

Der Klimawandel wird sich voraussichtlich auf das Grundwasser auswirken, aber die Prognosen sind sehr unsicher. Die Quantifizierung der historischen Auswirkungen ermöglicht ein besseres Verständnis der Reaktion des Grundwassers, wurde aber aufgrund des komplexen Einflusses verschiedener Faktoren, wie Grundwasserentnahme für die landwirtschaftliche Bewässerung und Landnutzungsänderungen, nur selten untersucht. Diese Arbeit zielt darauf ab, zum Verständnis und zur Quantifizierung der historischen Auswirkungen von Klimawandel und -schwankungen auf das Grundwasser durch drei miteinander verbundene Forschungsfragen beizutragen: Frage 1: Wie sensitiv reagieren der Grundwasserstand und die Grundwasserneubildung auf Klimaschwankungen in Australien? Frage 2: Wie stark sind die Veränderungen des Grundwasserstands auf den anthropogenen Klimawandel in Australien zurückzuführen und wann haben sich diese Auswirkungen auf das Grundwasser bemerkbar gemacht? Frage 3: Wie haben und werden sich die langfristigen Klimawandel und -schwankungen auf den Grundwasserabfluss (niedriger, mittlerer und hoher Abfluss) in einem großen Karsteinzugsgebiet (schneebeeinflusst, gemäßigtes Klima) in Mitteleuropa auswirken? Die Frage 1 wurde durch Quantifizierung der Sensitivität des Grundwasserstands und der Grundwasserneubildung gegenüber Klimaschwankungen in Australien untersucht. Insgesamt 4350 Messstellen wurden zunächst mit der Zeitreihen-Grundwasser-Toolbox HydroSight modelliert, und 1143 (26%) davon wurden als klimadominierte Messstellen identifiziert. Zur Quantifizierung der Grundwassersensitivität wurde dann ein multipler linearer Regressionsansatz angewandt, der an Studien zur Elastizität von Wasserflüssen adaptiert wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass der Grundwasserstand und die Grundwasserneubildung etwa achtmal sensitiver auf Niederschläge reagieren als auf Veränderungen der potenziellen Evapotranspiration. Die inhärenten Eigenschaften der Gebiete, wie Klimatyp und Hydrogeologie, scheinen eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Grundwassersensitivität zu spielen. Die Frage 2 wurde untersucht, indem historische Veränderungen des Grundwasserstands in Australien festgestellt und auf den anthropogenen Klimawandel zurückgeführt wurden. An den vom Klima dominierten Standorten wurde ein Modellierungsexperiment durchgeführt, um die Veränderungen des Grundwasserstands sowohl in der faktischen als auch in der kontrafaktischen (natürlichen) Welt mit und ohne menschlichen Einfluss zu simulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass 90% der Standorte seit den 1950er Jahren eine signifikante Grundwasserabsenkung erfahren haben, die auf den anthropogenen Klimawandel zurückzuführen ist. Im Südwesten Australien ist die Abnahme am höchsten und liegt viermal so hoch wie der nationale Median (-74 gegenüber -19 mm pro Jahr). Diese Ergebnisse gehören zu den ersten, die zeigen, dass das Grundwasser bereits seit längerer Zeit den negativen Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels leidet. Zur Beantwortung von Frage 3 wurde die Reaktion des Grundwasserabflusses auf Klimawandel und -schwankungen in einem schneebeeinflussten Karsteinzugsgebiet der gemäßigten Breiten (Blautopf) in Süddeutschland zwischen 1952 und 2100 quantifiziert. In dieser Studie wurden statistische Methoden und konzeptionelle Modellierungen eingesetzt, um die langfristigen Auswirkungen zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Veränderungen des jährlichen mittleren und niedrigen Abflusses nicht signifikant waren, aber der jährliche Spitzenabfluss hat sich aufgrund der weniger intensiven Schneeschmelze auf einen niedrigen Wert (< 13,6 m3/s) verschoben. Trotz nicht signifikanter historischer Veränderungen werden alle hoch-, niedrig- und mittleren Abflüsse bis zum Jahr 2100 voraussichtlich abnehmen. Diese Ergebnisse können auf potenzielle Risiken der Wassermangelversorgung an ähnlichen klimatischen und geologischen Standorten hinweisen. Die Quantifizierung der historischen Auswirkungen von Klimawandel und -schwankungen auf das Grundwasser trägt zu einem besseren Verständnis der Reaktion des Grundwassers bei und erhöht die Zuverlässigkeit der Vorhersagen. Nur wenn wir die Vergangenheit verstehen, können wir bessere Vorhersagen für die Zukunft machen.

Der Klimawandel wird sich voraussichtlich auf das Grundwasser auswirken, aber die Prognosen sind sehr unsicher. Die Quantifizierung der historischen Auswirkungen ermöglicht ein besseres Verständnis der Reaktion des Grundwassers, wurde aber aufgrund des komplexen Einflusses verschiedener Faktoren, wie Grundwasserentnahme für die landwirtschaftliche Bewässerung und Landnutzungsänderungen, nur selten untersucht. Diese Arbeit zielt darauf ab, zum Verständnis und zur Quantifizierung der historischen Auswirkungen von Klimawandel und -schwankungen auf das Grundwasser durch drei miteinander verbundene Forschungsfragen beizutragen: Frage 1: Wie sensitiv reagieren der Grundwasserstand und die Grundwasserneubildung auf Klimaschwankungen in Australien? Frage 2: Wie stark sind die Veränderungen des Grundwasserstands auf den anthropogenen Klimawandel in Australien zurückzuführen und wann haben sich diese Auswirkungen auf das Grundwasser bemerkbar gemacht? Frage 3: Wie haben und werden sich die langfristigen Klimawandel und -schwankungen auf den Grundwasserabfluss (niedriger, mittlerer und hoher Abfluss) in einem großen Karsteinzugsgebiet (schneebeeinflusst, gemäßigtes Klima) in Mitteleuropa auswirken? Die Frage 1 wurde durch Quantifizierung der Sensitivität des Grundwasserstands und der Grundwasserneubildung gegenüber Klimaschwankungen in Australien untersucht. Insgesamt 4350 Messstellen wurden zunächst mit der Zeitreihen-Grundwasser-Toolbox HydroSight modelliert, und 1143 (26%) davon wurden als klimadominierte Messstellen identifiziert. Zur Quantifizierung der Grundwassersensitivität wurde dann ein multipler linearer Regressionsansatz angewandt, der an Studien zur Elastizität von Wasserflüssen adaptiert wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass der Grundwasserstand und die Grundwasserneubildung etwa achtmal sensitiver auf Niederschläge reagieren als auf Veränderungen der potenziellen Evapotranspiration. Die inhärenten Eigenschaften der Gebiete, wie Klimatyp und Hydrogeologie, scheinen eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Grundwassersensitivität zu spielen. Die Frage 2 wurde untersucht, indem historische Veränderungen des Grundwasserstands in Australien festgestellt und auf den anthropogenen Klimawandel zurückgeführt wurden. An den vom Klima dominierten Standorten wurde ein Modellierungsexperiment durchgeführt, um die Veränderungen des Grundwasserstands sowohl in der faktischen als auch in der kontrafaktischen (natürlichen) Welt mit und ohne menschlichen Einfluss zu simulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass 90% der Standorte seit den 1950er Jahren eine signifikante Grundwasserabsenkung erfahren haben, die auf den anthropogenen Klimawandel zurückzuführen ist. Im Südwesten Australien ist die Abnahme am höchsten und liegt viermal so hoch wie der nationale Median (-74 gegenüber -19 mm pro Jahr). Diese Ergebnisse gehören zu den ersten, die zeigen, dass das Grundwasser bereits seit längerer Zeit den negativen Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels leidet. Zur Beantwortung von Frage 3 wurde die Reaktion des Grundwasserabflusses auf Klimawandel und -schwankungen in einem schneebeeinflussten Karsteinzugsgebiet der gemäßigten Breiten (Blautopf) in Süddeutschland zwischen 1952 und 2100 quantifiziert. In dieser Studie wurden statistische Methoden und konzeptionelle Modellierungen eingesetzt, um die langfristigen Auswirkungen zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Veränderungen des jährlichen mittleren und niedrigen Abflusses nicht signifikant waren, aber der jährliche Spitzenabfluss hat sich aufgrund der weniger intensiven Schneeschmelze auf einen niedrigen Wert (< 13,6 m3/s) verschoben. Trotz nicht signifikanter historischer Veränderungen werden alle hoch-, niedrig- und mittleren Abflüsse bis zum Jahr 2100 voraussichtlich abnehmen. Diese Ergebnisse können auf potenzielle Risiken der Wassermangelversorgung an ähnlichen klimatischen und geologischen Standorten hinweisen. Die Quantifizierung der historischen Auswirkungen von Klimawandel und -schwankungen auf das Grundwasser trägt zu einem besseren Verständnis der Reaktion des Grundwassers bei und erhöht die Zuverlässigkeit der Vorhersagen. Nur wenn wir die Vergangenheit verstehen, können wir bessere Vorhersagen für die Zukunft machen.