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2023 | Buch | 1. Auflage

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Umwelttechnik

Ein Lehr- und Übungsbuch

herausgegeben von: Dr.-Ing. Peter Reiser, Prof. Dr. rer. nat. Karl Schwister, Prof. Dr. med. Elke Ochsmann, Prof. Dr. rer. nat. Johanna Hopp, Prof. Dr.-Ing. Frank-Joachim Möller, Prof. i. R. Dr.-Ing. Wilhelm Josef Fleischhauer, Dipl.-Ing. Volker Leven, Prof. Dr. rer. nat. Nadine Warkotsch, Prof. Dr. rer. nat. Karl Schwister, Dr. jur. Gernot-Rüdiger Engel, Prof. Dr.-Ing. Mario Adam, Prof. i. R. Dr.-Ing. Barbara Dietzsch

Verlag: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG

Inhaltsverzeichnis
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Über dieses Buch

Das Umweltbewusstsein steigt stetig. Im technischen Bereich stehen, neben der Konzeption und Beurteilung umwelttechnischer Maßnahmen, das Umweltmanagement und die umweltverträgliche industrielle Produktion zunehmend im Fokus. Der Umweltschutz nimmt somit im gesellschaftlichen und politischen Rahmen eine immer größere Rolle ein. Das vorliegende Lehr- und Übungsbuch enthält eine kompakte, verständliche und an den Bedürfnissen der Praxis ausgerichtete Übersicht der Umwelttechnik sowie des Umweltschutzes. Es beschreibt die komplexen stofflichen und energetischen Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Umweltmedien Boden – Wasser – Luft und stellt die für unsere Gesellschaft notwendigen Maßnahmen in den Bereichen Luftreinhaltung, Boden- und Wasserschutz, Abfallreduzierung, Lärmschutz sowie Umstellung auf regenerative Energieträger zusammen. Aus dem Inhalt: - Ursachen der Umweltprobleme - Naturwissenschaftliche Grundlagen - Umweltmanagement und Umweltrecht - Umwelt und Gesundheit - Verfahren zur Wasserbehandlung (Trinkwasseraufbereitung, Abwasserbehandlung, Schlammbehandlung) - Biologische, mechanische und thermische Abgasreinigungsverfahren - Boden und anthropogene Einwirkungen - Sanierung von Altlasten - Lärm- und Strahlenbelastung - Abfallvermeidung, Abfallrecycling und Müllverbrennung - Energieeinsparung und Nutzung von erneuerbarer Energie Dieses breit angelegte Lehrbuch vermittelt Studierenden und Lernenden von Studiengängen und Berufen mit Relevanz zur Umwelttechnik und damit zum realen Umwelt- und Klimaschutz Grund- und Fachwissen. Berechnungsbeispiele, Fragen und Übungsaufgaben ermöglichen auch Fachfremden den Einstieg in diese wichtige Disziplin. Zielgruppen: Studierende der Fach- und Vertiefungsrichtungen Umwelttechnik, Verfahrenstechnik, Biotechnologie, Lebensmitteltechnologie, Naturwissenschaften sowie Bergbau- und Hüttenwesen. Esist ebenfalls geeignet für Angehörige von umwelttechnischen Berufen, wie Fachkräfte für Kreislauf- und Abfallwirtschaft, Abwassertechnik, Wasserversorgungstechnik, Rohr-, Kanal- und Industrieservice sowie für Arbeitssicherheit und Umweltschutz.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Ursachen der Umweltprobleme
Zusammenfassung
Das Wort Umwelt ist eine seit 1800 belegte Übersetzung von omverden aus dem Dänischen mit der Bedeutung „umgebenes Land“ oder „umgebene Welt“. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts etablierte sich das aus dem Französischen entlehnte Wort Milieu als Ersatzwort für den Begriff Umwelt.
Karl Schwister
2. Physikalische Größen und Einheitensysteme
Zusammenfassung
Ein wesentliches Ziel der naturwissenschaftlichen und technischen Forschung ist die Beschreibung der in der Natur ablaufenden Vorgänge bzw. der technischen Prozesse durch mathematische Gleichungen. Diese werden entweder durch Experimente oder durch theoretische Überlegungen erhalten. Diese Gleichungen stellen einen funktionalen Zusammenhang zwischen den für den betrachteten Prozess maßgeblichen erfassbaren Eigenschaften oder Erscheinungen des Systems her, die auch allgemein Einflussgrößen genannt werden. Solche Größen sind z. B. Länge, Masse, Zeit, Stromstärke, Konzentration, Arbeit oder Energie.
Karl Schwister
3. Statistische Grundbegriffe
Zusammenfassung
Unter einem Fehler verstand man lange Zeit die Abweichung von einem festgelegten Zustand oder Verfahren in einem bezüglich seiner Funktionen determinierten System. Mittlerweile wurde jedoch diese Definition verändert. Das Deutsche Institut für Normung (DIN) definiert Fehler mittlerweile als einen „Merkmalswert, der die vorgegebenen Forderungen nicht erfüllt“ und als „Nichterfüllung einer Anforderung“. Die Anforderung wird dabei definiert als „Erfordernis oder Erwartung, die festgelegt, üblicherweise vorausgesetzt oder verpflichtend ist“.
Karl Schwister
4. Chemische Grundbegriffe
Zusammenfassung
Die Stöchiometrie beschäftigt sich mit den Mengenverhältnissen der Elemente in chemischen Verbindungen und mit den Massen- bzw. Stoffmengenverhältnissen bei chemischen Reaktionen. Sie ist die Grundlage für die Berechnung chemischer Formeln und der Zusammensetzung der Stoffe, das Aufstellen von Reaktionsgleichungen und die quantitative Auswertung chemischer Reaktionen.
Karl Schwister
5. Mikrobiologische und biochemische Grundbegriffe
Zusammenfassung
Die Mikrobiologie ist die Wissenschaft der Mikroorganismen. Das in der Benennung ausgedrückte Kennzeichen drückt die geringe Größe der Individuen (10-5 bis 100 mm) aus. Ihre mikroskopische Dimension (Auflösungsvermögen des menschlichen Auges: 0,02 mm) war nicht das einzige Motiv zur Abtrennung der Mikroorganismen von den Tieren und Pflanzen, sondern hat auch Konsequenzen hinsichtlich der Morphologie, der Aktivität und Flexibilität des Stoffwechsels sowie der ökologischen Verbreitung. Mikroorganismen sind in den Umweltbereichen Wasser, Luft und Boden allgegenwärtig (ubiquitär). Man findet sie in arktischen Gebieten, im Meer und in hohen Luftschichten. Die Artenverteilung ist an den meisten Standorten ähnlich der im Boden.
Karl Schwister
6. Umwelt und Gesundheit
Zusammenfassung
Der Begriff „Umwelt“ ist eher unspezifisch und erlaubt verschiedene Interpretationsmöglichkeiten. Er umfasst die physische wie auch die soziale Umwelt und kann nach Noxen (z. B. physikalisch, chemisch oder biologisch), nach Umweltmedien (z. B. Luft, Wasser, Boden, Bedarfsgegenstände) oder nach Lebensbereichen (z. B. Haushalt oder Arbeitsplatz) gegliedert werden. Die soziale Umwelt steht in den nachfolgenden Inhalten weniger im Vordergrund, wobei mittlerweile bekannt ist, dass ungünstige soziale Lebensfaktoren oft auch mit ungünstigen physischen Umweltfaktoren einhergehen können.
Elke Ochsmann
7. Umweltmanagement
Zusammenfassung
Unternehmen sind Beteiligte am Stoff- und Energiewandlungsprozess, der für den gesamten Wirtschaftsprozess betrieben wird. Jeder einzelne Prozess ist prinzipiell mit mehr oder weniger großen direkten oder indirekten Umweltauswirkungen verbunden.
Frank-Joachim Möller
8. Einführung in das Umweltrecht
Zusammenfassung
Das Umweltrecht umfasst alle Rechtsnormen, die die Pflege und Wahrung der natürlichen Lebensgrundlagen zum Gegenstand haben und dem Schutz des Menschen vor schädlichen Umwelteinflüssen dienen. Trotz seines Charakters als Querschnittsrecht hat sich das Umweltrecht in den letzten Jahrzehnten zu einem eigenständigen Rechtsgebiet herausgebildet. Es erschließt sich in seiner Komplexität mittlerweile nur noch dem Spezialisten. Erschwerend kommt hinzu, dass für den Rechtsanwender allein die Kenntnis des nationalen Umweltrechts mitunter nicht ausreichend ist, da es zu großen Teilen von dem - im Kollisionsfall einen Anwendungsvorrang beanspruchenden - Recht der Europäischen Union überlagert ist. Eine Einführung in das Umweltrecht muss sich somit darauf beschränken, die Grundprinzipien und den Inhalt der wichtigsten Gesetze zu skizzieren.
Gernot-Rüdiger Engel
9. Wasserverschmutzung
Zusammenfassung
Die gesamte Hydrosphäre besteht aus ca. 1,36 Mrd. km3 Wasser. Weniger als 3 % des weltweiten Wasservorkommens sind Süßwasser (ca. 38 Mio. km3). Davon sind jedoch 80 % in Form von Eis in den Polkappen und Gletschern gebunden.
Karl Schwister
10. Boden und anthropogene Einwirkungen
Zusammenfassung
Man unterscheidet organische und anorganische Bodenbestandteile. Der organische Anteil eines Bodens ist jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen und ist in verschiedenen Böden unterschiedlich hoch. In Mooren nimmt dieser Anteil Werte zwischen 30 und 100 % an, in Mineralböden dagegen kann er auf 1,5 . . . 4 % sinken. In Bild 10.1 wird ein Durchschnittsgehalt von 10 % organischem Anteil angenommen und die Zusammensetzung dieses Anteils näher betrachtet.
Johanna Hopp
11. Luftverschmutzung
Zusammenfassung
Der Luftbereich zwischen Erde und Weltall wird als Atmosphäre bezeichnet. Sie ist, bezogen auf die Masse, mit 5,3 • 1015 Tonnen die kleinste der drei zu betrachtenden Bereiche: Atmosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre. Die ca. 500 km dicke gasförmige Atmosphäre absorbiert weitgehend die UV-Strahlung aus dem Weltall und ermöglicht so das Leben auf der Erde. Die Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmt die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Regens und beeinflusst somit die Verwitterung von Gesteinen. Neben dem Wasser stellt die Atmosphäre das Transportmittel für Stoffe und Energie dar.
Karl Schwister
12. Lärm- und Strahlenbelastung
Zusammenfassung
Der Begriff Lärm, der sich im allgemeinen Sprachgebrauch eingebürgert hat, ist an sich keine physikalische Größe. Vielmehr ist Lärm ein „psychoakustischer“ Begriff, der ein Geräusch meint, das eine persönliche, emotionale (meist negative) Bewertung erhalten hat. Nach dieser Definition kann jedes individuell unerwünschte Geräusch als Lärm bezeichnet werden. Manche Personen empfinden z. B. einen bestimmten Musikstil als Lärm, während andere diesen als angenehm empfinden können.
Elke Ochsmann
13. Trinkwasseraufbereitung
Zusammenfassung
Der Begriff Trinkwasser bezeichnet ein Wasser, das für den menschlichen Verzehr vorgesehen ist. Es muss daher lebensmittelhygienischen Anforderungen gerecht werden, die u. a. in der Trinkwasserverordnung TrinkwV festgehalten sind. Diese Verordnung hat ihre gesetzliche Grundlage sowohl im Infektionsschutz- als auch im Lebensmittel- und Bedarfsgegenständegesetz. Wesentliche Bestimmungen der TrinkwV sind:
  • Trinkwasser muss frei von krankheitserregenden Mikroorganismen und gesundheitsschädlichen Stoffen sein,
  • es soll klar und farblos sein, keine Trübungen aufweisen und keinen unangenehmen Geruch oder Geschmack haben,
  • es soll eine erfrischende Temperatur (7…12 °C) aufweisen, unabhängig von der jeweiligen Lufttemperatur,
  • Trinkwasser soll keine Werkstoffkorrosion verursachen.
Karl Schwister
14. Kommunale Abwasserreinigung
Zusammenfassung
Der Begriff Abwasser ist in der Norm DIN 4045 definiert [14.1]. Als Abwasser bezeichnet man das durch häuslichen, gewerblichen, landwirtschaftlichen oder sonstigen Gebrauch in seinen Eigenschaften veränderte und bei Trockenwetter abfließende Wasser (Schmutzwasser). Hinzu kommt das von Niederschlägen aus dem Bereich von bebauten oder befestigten Flächen abfließende und gesammelte Wasser (Niederschlagswasser). Dabei muss zwischen industriellen (gewerblichen) und häuslichen Schmutzwässern in Bezug auf die Art und die Stärke der Belastung unterschieden werden. Gelangen beide Schmutzwasserarten zusammen mit dem verschmutzten Niederschlag in eine Mischkanalisation, so spricht man von kommunalem Abwasser.
Karl Schwister, Volker Leven
15. Industrielle Abwasserreinigung
Zusammenfassung
Die im Kapitel 14 beschriebenen biologischen Reinigungsverfahren sind mit der dort angewendeten Bauweise für die hoch belasteten Industrieabwässer nur bedingt einsetzbar. Nachteilig sind z. B.:
  • großer Flächenbedarf und großes Reaktionsvolumen,
  • energetisch aufwendige O2-Versorgung bei schlechter Ausnutzung des eingetragenen Sauerstoffs,
  • Geruchsbildung bei offener Bauweise,
  • Anfall großer Mengen an Überschussschlamm,
  • geringer Abbau von langlebigen (persistenten) Schadstoffen.
Karl Schwister
16. Schlammbehandlung
Zusammenfassung
Durch die verschiedenen Abwasserbehandlungsverfahren in Kläranlagen werden dem Abwasser feste organische und anorganische Schmutzstoffe entzogen. Die gelösten Schadstoffe reagieren unter Beteiligung von Mikroorganismen idealerweise zu Kohlenstoffdioxid und Biomasse. Diese Rückstände der Abwasserreinigung fallen als wasserreicher Schlamm an, dessen Anteil 1 . . . 2 % der behandelten Abwassermenge ausmacht. Hieraus ergeben sich pro Einwohner täglich 2 . . . 3 l Schlamm mit einem Feststoffgehalt (Trockenrückstand) von 2 . . . 5 %. Der Feststoff besteht zu zwei Dritteln aus organischem Material.
Karl Schwister
17. Sanierung von Altlasten
Zusammenfassung
Sanierungen im Sinne des Bundes-Bodenschutzgesetzes (BBodSchG) sind nach § 2 (7) Maßnahmen
  • zur Beseitigung oder Verminderung der Schadstoffe (Dekontaminationsmaßnahmen),
  • die eine Ausbreitung der Schadstoffe langfristig verhindern oder vermindern, ohne die Schadstoffe zu beseitigen (Sicherungsmaßnahmen),
  • zur Beseitigung oder Verminderung schädlicher Veränderungen der physikalischen, chemischen oder biologischen Beschaffenheit des Bodens.
Barbara Dietzsch, Nadine Warkotsch
18. Thermische und mechanische Abgasreinigung
Zusammenfassung
Abgase sind gasförmige Prozess- bzw. Abfallprodukte, die bei Produktions- und Verbrennungsprozessen anfallen und nicht für den Prozess nutzbar sind. Sie enthalten in der Regel luftverunreinigende Stoffe (Luftschadstoffe), wie z. B. Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (CO2), Schwefeloxide (SOx), Stickoxide (NOx), Ruß (schwarzer, pulverförmiger Feststoff, der zu 80 … 99,5 % aus Kohlenstoff besteht) und Staub (dKorn ≤ 500μm).
Barbara Dietzsch, Wilhelm Josef Fleischhauer, Nadine Warkotsch
19. Biologische Abgasreinigung
Zusammenfassung
Als Ausgangspunkt der Nutzung von biologischer Aktivität zur Umsetzung von Schadstoffen kann schon das Vergraben von Kadavern und Exkrementen angesehen werden. Dabei wurde schon seit Urzeiten die Selbstreinigungskraft der Natur verwendet, um zumindest die Geruchsstoffe zu reduzieren. Aus diesen Potenzialen zieht man seit den 60er-Jahren technischen Nutzen, indem Erdfilter als Abluftreinigungsverfahren für landwirtschaftliche Betriebe im Bereich der Massentierhaltung und Tierkörperverwertung eingesetzt werden, um die Geruchsbelastung zu mindern. In den 80er-Jahren wurden Biowäschersysteme entwickelt, die neben oben genanntem Anwendungsgebiet auch zur Reinigung industrieller Abgase genutzt wurde. Da sich die Akzeptanz der biologischen Verfahren in den 90ern wesentlich steigerte und die Forschung auf diesem Gebiet forciert wurde, etablierten sich zu dieser Zeit auch Biofiltersysteme, Tropfkörper- und Biomembranreaktoren in der industriellen Abgasreinigung.
Volker Leven
20. Lärmschutz und Lärmvermeidung
Zusammenfassung
Die wirkungsvollsten und wirtschaftlichsten Maßnahmen zur Lärmminderung bestehen in der direkten Beeinflussung der Schallentstehungsvorgänge und deren unmittelbarer Umgebung. Es muss daher das vorrangige Ziel aller Bemühungen zur Lärmminderung sein, mit den Minderungsmaßnahmen zunächst an der Stelle der Schallentstehung anzusetzen. Mit diesen Sätzen beginnt die VDI-Richtlinie 3720, Blatt 1 „Lärmarm Konstruieren“, die Teil des VDI-Handbuches „Lärmminderung“ ist. Um Minderungsmaßnahmen durchführen zu können, ist es erforderlich, die Art und Weise der jeweiligen Schallentstehung und der Ausbreitung des Schalls zu kennen.
Peter Reiser
21. Konzept zur Abfallvermeidung
Zusammenfassung
Die primäre Maßnahme im Umgang mit Abfall ist seine Vermeidung. Das gilt grundsätzlich, aber insbesondere für Abfallarten mit hohem Gesamtaufkommen und niedrigen Verwertungsquoten.
Nadine Warkotsch
22. Abfallrecycling
Zusammenfassung
Sind primäre Maßnahmen, also Vermeidungsstrategien, nicht oder noch nicht möglich, so sind sekundäre Maßnahmen der Abfallbeseitigung durchzuführen. Im Wesentlichen zählen hierzu Recyclingtechniken im Sinne des Kreislaufwirtschaftsgesetzes oder im Sinne der Prioritäten des Abfallgesetzes: Vermeiden vor Verwerten vor Deponieren. Bewusst wird hier der Begriff des Entsorgens nicht verwendet, da häufig nur unscharf zwischen dem Verwerten und Deponieren unterschieden wird. Im Sinne der hier durchgeführten Gliederung zählt das Deponieren nicht zu den sekundären Maßnahmen, sondern zu den tertiären Maßnahmen der Abfallbewältigung. Im Sinne der Auflagen der TA Siedlungsabfall und der TA Abfall sind solche Maßnahmen nur noch in sehr eng begrenztem Maße zu dulden.
Nadine Warkotsch
23. Deponieren von Abfällen
Zusammenfassung
Die Grundsätze des Abfallrechts (KrWG) sehen vor, dass die Vermeidung und Verwertung von Abfällen vor der Beseitigung zu stehen hat. Der angelegte Kreislaufwirtschaftsgedanke gilt, solange die Zerstörung bzw. Ausschleusung von Schadstoffen im Wiederverwendungszyklus gelingt. Wenn die Verfolgung dieses Ziels weder aus wirtschaftlichen noch unter Umweltschutz-Aspekten sinnvoll erscheint, bleibt nur das Auskreisen der Stoffe bzw. Stoffgemische durch eine sichere Ablagerung in einer Deponie. Realisiert werden kann dies durch Dokumentation der Ablagerung, durch Vermeidung von Stoffausträgen und durch Überwachung in der Betriebs- und Nachsorgephase. Um eine Abfall-Verlagerung (= Delokalisierung) durch Wind, Regen usw. zu vermeiden, sind deponierte Abfälle von allen Seiten einzuschließen bzw. einzukoffern. Insofern kann eine Deponie als ein mehr oder weniger dicht geschlossener Raum oder Reaktor betrachtet werden, in welchem stoffliche Veränderungen stattfinden können. Haushalts- und Gewerbe-Abfall, sog. Siedlungsabfälle, sind ein Stoffgemisch aus organischen und anorganischen Verbindungen. Wie sich bei Ablagerung solcher Gemische in einem eingekofferten Deponiekörper stoffliche Veränderungen ergeben und auswirken können, ist in Bild 23.1 skizziert.
Johanna Hopp
24. Müllverbrennung
Zusammenfassung
Verschiedene Verfahrensvarianten können bei der thermischen Behandlung von Abfällen eingesetzt werden. Bei der Vergasung findet die thermische Zersetzung von Abfällen unter Zusatz reaktiver Gase wie z. B. CO2, H2O-Dampf , O2 bzw. Luft statt. Die eingesetze Luft- oder Sauerstoffmenge ist dabei jeweils um 60 . . .70 % geringer als bei der klassischen Verbrennung. Erfolgt eine thermische Zersetzung unter Luftausschluss oder bei extrem niedrigem Sauerstoffangebot, so spricht man von Pyrolyse (Schwelung, Entgasung, trockene Destillation). Vom Prozess der Verbrennung spricht man, wenn bei der thermischen Zersetzung von Abfall ausreichend Luft zur Verfügung steht. Die Verbrennung ist das mit Abstand wichtigste Verfahren der thermischen Abfallbehandlung und gilt in Deutschland als das Verfahren mit der geringsten Störanfälligkeit.
Johanna Hopp
25. Energieeinsparung
Zusammenfassung
Das Anwachsen von Wohlstand und Industrietätigkeit war in den Industrienationen über Jahrzehnte hinweg mit einem Anstieg des Energieverbrauchs verknüpft. Erst nach der ersten Ölkrise 1973 fand in einzelnen Ländern eine Entkopplung statt. Der Primärenergieverbrauch in Deutschland stagniert seitdem auf hohem Niveau bzw. sinkt sogar leicht, Wohlstand und Industrietätigkeit wachsen dennoch weiter. Dies ist vor allem ein Resultat anhaltender Maßnahmen zur Energieeinsparung in allen Bereichen des öffentlichen und privaten Lebens und einer deutlich verstärkten Nutzung regenerativer Energien.
Mario Adam
26. Regenerative Energien
Zusammenfassung
Zu den regenerativen Energien zählen die Solarenergie, die Wasserkraft, die Windenergie, die Biomasse und die geothermische Energie. Auch die von Wärmepumpen genutzte Umweltwärme wird teils dazu gerechnet. Bis auf die Energie der Gezeiten als eine Form der Wasserkraft und die geothermische Energie resultieren alle regenerativen Energien aus der Einstrahlung der Sonne: Durch die solare Einstrahlung verdunstet Wasser, regnet in höheren Regionen wieder ab und fließt zu Tal; aufgrund regional unterschiedlicher Einstrahlungsverhältnisse entstehen Temperaturunterschiede, daraus Luftdruckdifferenzen und infolgedessen Wind; Pflanzen brauchen die Sonne zur Bildung von Biomasse; usw. Die Gezeitenenergie resultiert aus der Planetengravitation zwischen Erde und Mond, die Geothermie aus der Hitze im Kern der Erde aus den Zeiten ihrer Entstehung und dem ständigen Zerfall radioaktiver Elemente in der Erdkruste.
Mario Adam
Backmatter
Metadaten
Titel
Umwelttechnik
herausgegeben von
Dr.-Ing. Peter Reiser
Prof. Dr. rer. nat. Karl Schwister
Prof. Dr. med. Elke Ochsmann
Prof. Dr. rer. nat. Johanna Hopp
Prof. Dr.-Ing. Frank-Joachim Möller
Prof. i. R. Dr.-Ing. Wilhelm Josef Fleischhauer
Dipl.-Ing. Volker Leven
Prof. Dr. rer. nat. Nadine Warkotsch
Prof. Dr. rer. nat. Karl Schwister
Dr. jur. Gernot-Rüdiger Engel
Prof. Dr.-Ing. Mario Adam
Prof. i. R. Dr.-Ing. Barbara Dietzsch
Copyright-Jahr
2023
Verlag
Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
Electronic ISBN
978-3-446-47003-3
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-446-47003-3