NASA/ OHIO SPACE GRANT CONSORTIUM

2015-2016 ANNUAL STUDENT RESEARCH SYMPOSIUM

PROCEEDINGS XXIV

True Color Mosaic of Jupiter (NASA's Cassini Spacecraft)

Photo Credit: NASA

April 1, 2016 Held at the Ohio Aerospace Institute

Cleveland, Ohio

Follow OSGC on:

TABLE OF CONTENTS       Page(s)  

Table of Contents  ........................................................................................................................................... 2‐6 

Foreword  ........................................................................................................................................................... 7 

Member Institutions  ......................................................................................................................................... 8 

Acknowledgments  ............................................................................................................................................. 9 

Agenda  ....................................................................................................................................................... 10‐15 

Symposium Photographs  ........................................................................................................................... 16‐25 

Click on any Student Name to be immediately linked to the first page of his/her report! 

  Student Name  College/University  Page(s) 

 Andersen, Kayla B.  ................................ Case Western Reserve University .............................................. 26‐28 Biologically Accurate Redesign of a Puppy Robot’s Front Legs  Anderson, Calvin J. .......................................... Cedarville University ........................................................ 29‐33 Distinguishing Weathered Joints from Injectites: Analysis of Mt Nebo Pointe, Pittsburgh, PA  Avouris, Dulcinea M.  ...................................... Kent State University ........................................................ 34‐39 Keeping an Eye on Lake Erie: Using Remote Sensing to Analyze Harmful Algal Blooms  Baechle, Jenna N.  ........................................... University of Dayton ......................................................... 40‐44 Astronaut Safety and UV Protected Spaceships  Bennett, Annastacia C.  ................................... University of Dayton ......................................................... 45‐49 Amplifying Signals from Riboswitch Biosensors  Bennett, Jeffrey E.  ........................................ University of Cincinnati ...................................................... 50‐51 Surveillance for Intelligent Emergency Response Robotic Aircraft (SIERRA)  Bransley, Colleen J. .......................................... University of Dayton ......................................................... 52‐56 Four‐wave Mixing in Silicon Waveguides  Carter, Lazette M.  ......................................... Wright State University ...................................................... 57‐58 Laparoscopic Surgery and Abdominal Measurement  Chinchilla, Sophia .......................................... The University of Akron ...................................................... 59‐61 Localized Drug Delivery for Squamous Cell Carcinoma  Conrath, Ellie N.  .................................................. Ohio University ............................................................. 62‐63 Jobs at NASA  Dean, Maureen A.  .............................................. Ohio University ............................................................. 64‐68 Predictions of Human Radius Compressive Strength by Measurements of Bone Mineral and Stiffness    

2

Student Name  College/University  Page(s) 

 Dillow, Richard A.  ......................................... Wright State University  ..................................................... 69‐70 Food for Thought:  Plant Growth in Microgravity Environments  Douglass, Rebekah G.  ................................. Ohio Northern University ..................................................... 71‐76 Empirical Characterization of Rotorcraft Ice Shed Events  Ehret, Alan J.  ...................................................... Miami University ........................................................... 77‐78 Artificial Neural Networks as a Crossover Operator for Genetic Algorithms  Enders, Brett K.  ........................................ Lakeland Community College .................................................. 79‐80 Flow Map Analysis of Refugee Migration  Fadel, Joanna A.  ............................................ Wright State University ...................................................... 81‐84 The Treatment of Chronic Tinnitus with Endogenous Neuromodulation  Fleming, Abigail M.  ......................................... Cedarville University ........................................................ 85‐87 Bernoulli’s Olympics  Forte, Stacey N.  .............................................. Kent State University ........................................................ 88‐89 Right Triangles and Trigonometry: Problem‐Solving with NASA  Gerges, Daniel G.  ........................................ Cleveland State University .................................................... 90‐95 Design, Fabrication and Integration of a low thrust measurement stand for the Altitude Combustion Chamber at Glenn Research Center  Hall, Raymmond K.  ......................................... University of Dayton ......................................................... 96‐99 Processing Lithium Niobate Crystals for Nonlinear Optical Applications  Heitkamp, Caleb R.  ...................................... The University of Toledo ................................................. 100‐105 Shared vs. Distributed Memory in FORTRAN  Hummell, Kayla M.  ..................................... Ohio Northern University ................................................. 106‐110 Cooling Systems with Absorbents  Hunter, Shannon K.  ........................................ Kent State University .................................................... 111‐115 Do the Portage Lakes Provide a Baseline Algal Community for Comparison to Lake Erie’s Harmful  Algal Blooms?  Jacobs, Emilia M.  ............................................... Marietta College ........................................................ 116‐117 A Journey Through Space:  A Thematic Unit for Elementary Students  Johnson, Josephine  ....................................... Central State University .................................................. 118‐124 Do Household Water Filters Remove Microcystin Residue?  Klindworth, Ann J.  ........................................ The University of Akron .................................................. 125‐126 Bringing Signals Down to Earth     

3

Student Name  College/University  Page(s) 

 Knueven, Andrew J.  ........................................ Kent State University .................................................... 127‐129 Additive Manufacturing:  Casting a Francis Turbine Runner  Kolasinki, Matthew N.  ............................. Lakeland Community College .............................................. 130‐131 The Hunt for Exotic Particles Using Data from the Large Hadron Collider  Kupec, Edison B.  ...................................... Lakeland Community College .............................................. 132‐133 Population Density of the United States via Choropleth Map  MacDonald, Kelly E.  .................................... Ohio Northern University ................................................. 134‐138 Zero‐Gravity Workout  Mahaffey, Sara E.  ....................................... The Ohio State University................................................. 139‐147 Near‐Field Pressure Response of a Subsonic Jet with Various Azimuthal Mode Excitations  McKinney, Howard L.  .............................. Cuyahoga Community College ............................................. 148‐150 The Photovoltaic Closed Loop System, the Future of Transportation  Meadows, Erica  ............................................ Wright State University .................................................. 151‐153 Development of a Versatile 3‐D Printing Platform for Use in an Educational Setting  Miller, Alex F.  .............................................. The Ohio State University................................................. 154‐157 Parametric Investigation of Accelerated Deposition Testing in Turbine Internal Cooling Mechanisms  Morin, Joseph R.  ............................................. Cedarville University .................................................... 158‐159 Analysis of Surface Roughness on Friction Coefficients in Metal‐On‐Metal Hip Implants  Myers, Chelsea R.  ......................................... University of Cincinnati .................................................. 160‐163 Launching the Principles of Rocketry  Ndao, Maimouna  .......................................... Central State University .................................................. 164‐167 Selective Removal of Strontium Ions from Simulated Nuclear Waste Water  Omari, Dennis  ............................................. The Ohio State University................................................. 168‐172 Controlled Cavity Using Plasma Actuators as a Scramjet Shock Trap  Palmore, DeGrafth A. .................................... The University of Akron .................................................. 173‐174 Biconical Multibeam Antenna  Passmore, Catherine M.  ....................... Case Western Reserve University .......................................... 175‐177 Whegs™ Robot Wheel‐Leg Design Comparison with Additive Manufacturing  Petrey, Olivia L.  ............................................. The University of Akron .................................................. 178‐180 The Effects of Anti‐Gravity on the Bone Formation of Osteoblasts in Coculture  Pinder, Lauren B.  .......................................... Central State University .................................................. 181‐182 Manufacturing Engineering Role at John Deere Commercial Products  

4

Student Name  College/University  Page(s) 

 Potter, Michael V.  ....................................... Ohio Northern University ................................................. 183‐185 Investigation of Treadmill Influence on Whole‐limb Angle During Human Gait  Potts, Kia N.  ................................................. The University of Toledo ................................................. 186‐190 Pressure Reducing Spine Board  Radetic, Michael J.  .................................... Youngstown State University .............................................. 191‐195  Blood Detection using Carbon Nanotubes and Amino Acid Sequences  Reece, Adam L.  .................................................. Miami University ....................................................... 196‐205 Characterization of Dynamic Responses of Bending Actuators Based on Magneto‐Rheological Elastomers  Revenaugh, Grace A.  ...................................... Cedarville University .................................................... 206‐209 MiR‐146a Upregulation of Phagocytosis in Human Macrophage Sjögren’s Syndrome Model  Richards, Nathaniel L.  ................................ The University of Cincinnati ............................................... 210‐213 Reproducible Multi‐rotor UAV Design Utilizing Additive Manufacturing  Richey, Miguel R.D.  ........................................ Kent State University .................................................... 214‐218 Kent State Airport Flight Quality Assurance  Rogenski, Elizabeth A.  .............................. Youngstown State University .............................................. 219‐221 3D Scanning of Metal Parts Produced by Selective Laser Melting  Sand, Sara C.  ....................................................... Ohio University ......................................................... 222‐224 Methods for Synthesizing Boron Nitride through Electrospinning and Subsequent Nitridation  Schuler, Kristen R.  ...................................... Cleveland State University ................................................ 225‐228 The Science of Cell Phones  Shade, Myles A.  ................................................. Marietta College ........................................................ 229‐237 The Hazards of Orphaned Oil and Gas Wells in the Appalachian Region  Shockley, Liberty M.  ..................................... University of Cincinnati .................................................. 238‐239 Development of Navigation and Path Planning Algorithms for UAVs for SAR Ops  Singhal, Achal S.  .......................................... The Ohio State University................................................. 240‐245 Understanding and Control of Unsteady Flow Separation over an Airfoil  Smith, Joshua G.  ................................................ Miami University ....................................................... 246‐249 Computer Simulated Hypersonic Airflow over an Oscillating Airfoil  States, Lindsey A.  ............................................... Miami University ....................................................... 250‐252 Surviving on Mars with Rations  Stoner, Shaun T.  ................................................ Marietta College ........................................................ 253‐257 Composite Peak Production Curve Analysis – An Investigation Continued  

5

Student Name  College/University  Page(s) 

 Tokar, Bruce G., Jr.  ...................................... The University of Toledo ................................................. 258‐260 Validation of Rotor Noise Prediction using Benchmark Code  Turk, Jodi C.  ................................................ Cleveland State University ................................................ 261‐264 The Effects of Chordwise and Spanwise Heating on an Airfoil  Weaver, Valerie A.  ................................ Case Western Reserve University .......................................... 265‐266 Versatile Speedy Whegs for Varied Applications  Weber, Michelle R.  ............................. Columbus State Community College ........................................ 267‐268 3D Printing in Construction  Wilson, Blair M.  ................................................. Marietta College ........................................................ 269‐277 Hydraulic Fracturing’s Risk to Fresh Water Aquifers  Wisner, Joseph M.  .............................. Columbus State Community College ............................................... 278 Drones in Construction  Wolfe, Marlo R.  ....................................... Lakeland Community College .............................................. 279‐280 Prevalence of Antibiotic Resistance in High Traffic Areas Around Campus  Wood, Michael G.  ....................................... The Ohio State University................................................. 281‐286 Electro‐optic Tuning of Silicon Carrier Injection Degenerate Band Edge Resonators  Zimmerman, Sloan M.  ................................ The Ohio State University................................................. 287‐293 Walking‐Assistive Exoskeleton Based in Model‐Based Optimization and Online Iterative Development  Zwagerman, Bryce J.  ................................ Lakeland Community College .............................................. 294‐296 Stress Strain Test on 3D Printed Putter 

6

FOREWORD  The Ohio Space Grant Consortium (OSGC), a member of the NASA National Space Grant College and Fellowship Program, awards graduate fellowships and undergraduate scholarships to students working toward degrees  in Science,  Technology,  Engineering  and  Mathematics  (STEM)  disciplines  at  OSGC‐member  universities.    The awards are made to United States citizens, and the students are competitively selected.  Since the inception of the program in 1989, over 1,060 undergraduate scholarships and 160 graduate fellowships have been awarded.  Note  that  this  year  approximately  $400,000  will  be  directed  to  scholarships  and  fellowships  representing contributions  from NASA, member universities,  the Ohio Aerospace  Institute, and  industry.    Jed E. Marquart, Ph.D., P.E., currently serves as the Director.  By  helping more  students  to  graduate with  STEM‐related  degrees,  OSGC  provides more  qualified  technical employees to industry. At the Doctoral level, students have a government co‐advisor in addition to their faculty mentor, and perform research at one of the following Ohio federal  laboratories:   NASA Glenn Research Center or  the  Air Force  Research  Laboratory  at Wright‐Patterson  Air  Force  Base.    The  research  conducted  for  the Master’s and Doctoral degrees must be of  interest to NASA. A prime aspect of the scholarship program  is the undergraduate  research  project  that  the  student  performs  under  the mentorship  of  a  faculty member.  This research experience is effective in encouraging U. S. undergraduate students to attend graduate school in STEM. The Education scholarship recipients are required  to attend a workshop conducted by NASA personnel where they are exposed to NASA educational materials and create a lesson plan for use in their future classrooms.  On Friday, April 1, 2016, all OSGC Scholars and Fellows reported on these projects at the Twenty Fourth Annual Student  Research  Symposium  held  at  the Ohio  Aerospace  Institute  in  Cleveland, Ohio.  In multiple  sessions, Fellows  and  Senior  Scholars  offered  15‐minute  oral  presentations  on  their  research  projects  and  fielded questions from an audience of their peers and faculty, and received written critiques from a panel of evaluators. Junior,  Community  College,  and  Education  Scholars  presented  posters  of  their  research  and  entertained questions  from  all  attendees  during  the  poster  session.  The University  of  Akron  Lunabotics  Team  and  their Robot, CHRISTEE, along with the Lorain County Community College Unmanned Aerial Systems (UAS) team also participated with a display.  All students were awarded Certificates of Recognition for participating.  Research reports of students from the following schools are contained in this publication:  

Affiliate Members  Participating Universities • The University of Akron  • Marietta College • Case Western Reserve University  • Youngstown State University • Cedarville University   • Central State University   • Cleveland State University  Community Colleges • University of Dayton  • Cincinnati State Technical and Community College • Kent State University  • Columbus State Community College • Miami University  • Lakeland Community College • Ohio Northern University  • Owens Community College • The Ohio State University  • Sinclair Community College • Ohio University  • Terra State Community College • University of Cincinnati   • The University of Toledo   • Wilberforce University   • Wright State University    

7

MEMBER INSTITUTIONS  Lead Institution    Representative  Ohio Aerospace Institute ........................................................................................... Ms. Ann O. Heyward  Affiliate Members  Campus Representative  Air Force Institute of Technology ................................................................................  Dr. Eric D. Swenson  Case Western Reserve University ..............................................................  Jaikrishnan R. Kadambi, Ph. D.  Cedarville University ......................................................................................  Robert Chasnov, Ph.D., P.E.  Central State University ...........................................................................  Augustus Morris, Jr., Ph.D., P.E.  Cleveland State University ....................................................................................  Ms. Rose Begalla, M.A.  Kent State University ....................................................................................................  Dr. Joseph D. Ortiz  Miami University ................................................................................................  James Moller, Ph.D., P.E.  Ohio Northern University .............................................................................  Jed E. Marquart, Ph.D., P.E.*  Ohio University ........................................................................................................ Dr. Shawn Ostermann  The Ohio State University .................................................................................................. Dr. Mo Samimy  The University of Akron ........................................................................................... Dr. Craig C. Menzemer  University of Cincinnati ...................................................................................................... Dr. Kelly Cohen  University of Dayton ...................................................................................................... Dr. John G. Weber  The University of Toledo ............................................................................................ Dr. Lesley M. Berhan  Wilberforce University ..................................................................................... Jennifer N. Williams, Ph.D.  Wright State University ................................................................................................  Mitch Wolff, Ph.D.  Participating Institutions  Campus Representative  Marietta College ..................................................................................................... Prof. Ben W. Ebenhack  Youngstown State University ................................................................................ Hazel Marie, Ph.D., P.E.  Community Colleges  Campus Representative  Cincinnati State Technical and Community College  ................................................. Professor Abigail Yee  Columbus State Community College .......................................... Professor Jeffery M. Woodson, M.S., I.E.  Cuyahoga Community College ........................................................................................  Dr. Lam F. Wong  Lakeland Community College ...........................................................................Dr. Steven Oluic, USA (ret.)  Lorain County Community College .................................................................  Rosa E. Rivera‐Hainaj, Ph.D.  Owens Community College ............................................................................................ Dean Glenn Rettig  Sinclair Community College .................................................................................... Larraine A. Kapka, P.E.  Terra Community College ............................................................................................  Mr. Andrew Carroll  NASA Glenn Research Center ‐  Representatives  Dr. M. David Kankam  Ms. Susan M. Kohler  Mr. Robert F. LaSalvia       *Dr. Marquart also serves as Director of the Ohio Space Grant Consortium 

8

ACKNOWLEDGMENTS  

Thank you to all who helped with the OSGC’s 24th Annual Research Symposium!  

Ohio Aerospace Institute  Evaluators ,Mark Cline  Matt Grove  John M. Hale  Craig Hamilton  Ann O. Heyward  Gary R. Leidy  Jordan Scharfeld 

 Joshua Allen  Aimee Bogner  Dean Bortz  Liangyu Chen  Ashlie Flegel  Frederic Holland  Richard Kreeger  Cathy Mowrer  

 Salvatore Oriti  Paul Penko  Daniel Scheiman  Kathryn Shaw   Brian Tomko  Jen‐Ching Tsao  Andrew Work  Julie Zhao 

Campus Representatives ‐ Affiliate Members:  Dr. Eric D. Swenson, Air Force Institute of Technology  Dr. Jaikrishnan R. Kadambi, Case Western Reserve University  Robert Chasnov, Ph.D., P.E., Cedarville University  Augustus Morris, Jr., Ph.D., P.E., Central State University  Ms. Rose Begalla, M.A., Cleveland State University  Dr. Joseph D. Ortiz, Kent State University  James Moller, Ph.D., P.E., Miami University  Jed E. Marquart, Ph.D., P.E., Ohio Northern University*  Dr. Shawn Ostermann, Ohio University  Dr. Mo Samimy, The Ohio State University  Dr. Craig C. Menzemer, The University of Akron  Dr. Kelly Cohen, University of Cincinnati  Dr. John G. Weber, University of Dayton  Dr. Lesley M. Berhan, The University of Toledo  Jennifer N. Williams, Ph.D., Wilberforce University  Mitch Wolff, Ph.D., Wright State University Campus Representatives ‐ Participating Institutions  Dr. Ben W. Ebenhack, Marietta College  Hazel Marie, Ph.D., P.E., Youngstown State University Campus Representatives ‐ Community Colleges  Professor Abigail Yee, Cincinnati State Technical and Community College  Professor Jeffery M. Woodson, M.S., I.E., Columbus State Community College  Dr. Lam F. Wong, Cuyahoga Community College  Dr. Steven Oluic, USA (ret.), Lakeland Community College  Rosa E. Rivera‐Hainaj, Ph.D., Lorain County Community College  Dean Glenn Rettig, Owens Community College  Larraine A. Kapka, P.E., Sinclair Community College  Mr. Andrew Carroll, Terra Community College  

Special thanks go out to the following:  Michael L. Heil, for being the luncheon Keynote Speaker and OAI for hosting the event.  Jay N. Reynolds, Cleveland State University, for coordinating the Poster Session.  NASA Glenn Research Center – Human Resources – Rachel Cadesky  Ohio Aerospace Institute staff whose assistance made the event a huge success!  Silver Service Catering (Scot and Mary Lynne)  Sharon Mitchell Photography  

Industry Attendees ‐ Comsat Architects, Lockheed Martin, Sensor Development Corporation, and UTC Aerospace Systems  

*Dr. Marquart also serves as Director of the Ohio Space Grant Consortium 9

2016 OSGC Student Research Symposium Hosted By: Ohio Aerospace Institute (OAI)

22800 Cedar Point Road • Cleveland, OH 44142 • (440) 962-3000 Friday, April 1, 2016

AGENDA 8:00 AM – 8:30 AM Sign-In / Continental Breakfast / Student Portraits (30 minutes) .......................... Lobby 8:35 AM – 8:45 AM Welcome and Introductions – Jed E. Marquart (10 minutes) ....... Forum (Lobby Level) Interim Director, Ohio Space Grant Consortium 8:45 AM – 8:50 AM Laura A. Stacko (5 minutes) Program Manager, Ohio Space Grant Consortium 8:50 AM – 9:00 AM Group Photograph (10 minutes) .............................................. Lobby / Atrium Stairwell 9:00 AM – 11:00 AM Student Oral Presentations – Session 1 - All Senior Scholars and Fellows (120 minutes)

Group 1 ..................................................................................... Forum (Lobby Level)

Group 2 .................................................................... President’s Room (Lower Level)

Group 3 ............................................................................. Industry Room (2nd Floor)

Group 4 ................................................................................ Board Room (2nd Floor)

11:00 AM – 12:15 PM Student Poster Presentations (75 minutes) ............................................................ Lobby All Junior, Community College, and Pre-Service Teacher (Education) Scholars Dr. Jay Reynolds, Coordinator of Poster Session, Cleveland State University Student Team Displays (75 minutes) ........................................... Atrium (Lower Level) 12:15 PM – 1:15 PM Luncheon Buffet (60 minutes).................................... Atrium / Sunroom (Lower Level) 1:15 PM – 1:45 PM Dr. Michael L. Heil (30 minutes) ................................................. Forum (Lobby Level) President and Chief Executive Officer, Ohio Aerospace Institute 1:45 PM – 2:00 PM Presentation of Best Poster Awards (15 minutes) ................................................. Forum 2:00 PM Symposium Adjourns

10

STUDENT ORAL PRESENTATIONS SESSION 1 – 9:00 AM to 11:00 AM (120 minutes)

Group 1 – Mechanical Engineering

FORUM (AUDITORIUM – LOBBY LEVEL) Ashlie Flegel / Richard Kreeger / Salvatore Oriti / Andrew Work

9:00

Rebekah G. Douglass, Senior, Mechanical Engineering, Ohio Northern University Empirical Characterization of Rotorcraft Ice Shed Events

9:15

Michael V. Potter, Senior, Mechanical Engineering, Ohio Northern University Investigation of Treadmill Influence on Whole-limb Angle During Human Gait

9:30

Joshua G. Smith, Senior, Mechanical Engineering, Miami University Computer Simulated Hypersonic Airflow Over an Oscillating Airfoil

9:45

Jodi C. Turk, Senior, Mechanical Engineering and Mathematics, Cleveland State University The Effects of Chordwise and Spanwise Heating on an Airfoil

10:00

Daniel G. Gerges, MS 1, Mechanical Engineering, Cleveland State University Design, Fabrication and Integration of a low thrust measurement stand for the Altitude Combustion Chamber at Glenn Research Center

10:15

Achal S. Singhal, MS 1, Mechanical Engineering, The Ohio State University Understanding and Control of Unsteady Flow Separation over an Airfoil

10:30

Sloan M. Zimmerman, MS 1, Mechanical Engineering, The Ohio State University Walking-Assistive Exoskeleton Based in Model-Based Optimization and Online Iterative Development

Group 2 – Aerospace Engineering / Aeronautical Systems Engineering Technology / Applied Engineering /Materials Engineering PRESIDENT’S ROOM (LOWER LEVEL)

Joshua Allen / Jen-Ching Tsao / Brian Tomko

9:00 Sara E. Mahaffey, Senior, Aerospace Engineering, The Ohio State University Near-Field Pressure Response of a Subsonic Jet with Various Azimuthal Mode Excitations

9:15

Alex F. Miller, Senior, Aerospace Engineering, The Ohio State University Parametric Investigation of Accelerated Deposition Testing in Turbine Internal Cooling Mechanisms

9:30

Dennis Omari, Senior, Aerospace Engineering, The Ohio State University LAFPAs Influence on the Resonance of a Weakly Resonating Supersonic Cavity

9:45

Miguel R. D. Richey, Senior, Aeronautical Systems Engineering Technology, Kent State University Kent State Flight Quality Assurance

10:00

Andrew J. Knueven, Senior, Applied Engineering, Kent State University, Materials Engineering Additive Manufacturing: Casting a Francis Turbine Runner

10:15

Erica G. Meadows, Senior, Materials, Engineering, Wright State University The Reconstruction of a Three Dimensional Printer

11

STUDENT ORAL PRESENTATIONS (Continued) SESSION 1 – 9:00 AM to 11:00 AM (120 minutes)

Group 3 – Biology / Biological Sciences / Biomedical Engineering / Chemical Engineering / Physics

INDUSTRY ROOM (SECOND FLOOR) Aimee Bogner / Kathryn Shaw

9:00

Maureen A. Dean, Senior, Biological Sciences, Ohio University Predictions of Human Radius Compressive Strength by Measurements of Bone Mineral and Stiffness

9:15

Grace A. Revenaugh, Senior, Biology, Cedarville University The Role of miR-146a in Phagocytic Activity

9:30

Michael J. Radetic, Chemical Engineering, Youngstown State University Blood Detection using Carbon Nanotubes and Amino Acid Sequences

9:45

Colleen J. Bransley, Senior, Physics and Mechanical Engineering, University of Dayton Four-wave Mixing in Silicon Waveguides

Group 4 – Geology and Petroleum Engineering BOARD ROOM (SECOND FLOOR)

Dean Bortz / Paul Penko

9:00 Calvin J. Anderson, Senior, Geology, Cedarville University Distinguishing Weathered Joints from Injectites: Analysis of Mt. Nebo Pointe, Pittsburgh, PA

9:15

Shannon K. Hunter, Senior, Geology, Kent State University Do the Portage Lakes Provide a Baseline Algal Community for Comparison to Lake Erie’s Harmful Algal Blooms?

9:30

Myles A. Shade, Senior, Petroleum Engineering, Marietta College The Hazards of Orphaned Oil and Gas Wells in the Appalachian Region

9:45

Shaun T. Stoner, Senior, Petroleum Engineering, Marietta College Composite Peak Oil Production Curve Analysis - An Investigation Continued

10:00

Blair M. Wilson, Senior, Petroleum Engineering, Marietta College Hydraulic Fracturing’s Risk to Fresh Water Aquifers

10:15

Dulcinea M. Avouris, PhD 2, Applied Geology, Kent State University Keeping an Eye on Lake Erie: Using Remote Sensing to Analyze Harmful Algal Blooms

12

STUDENT POSTER PRESENTATIONS – LOBBY (MAIN FLOOR) 11:00 AM to 12:15 PM (75 minutes)

Dr. Jay N. Reynolds, Coordinator of Poster Session Evaluators: Aimee Bogner, Dean Bortz, Liangyu Chen, Frederich Holland, and Julie Zhao

Junior/Senior Science, Technology, Engineering, and Mathematics (STEM) Scholarship Recipients (LOBBY LEVEL)

Kayla B. Andersen, Junior, Mechanical Engineering, Case Western Reserve University Biologically Accurate Redesign of a Puppy Robot’s Front Legs Jeffrey E. Bennett, Junior, Aerospace Engineering, University of Cincinnati SIERRA Lazette M. Carter, Junior, Biomedical Engineering, Wright State University Laparoscopic Surgery and Measurement of the Abdominal Region Sofia Chinchilla, Senior, Biomedical Engineering, The University of Akron Localized Drug Delivery for Squamous Cell CarcinomaAlan J. Ehret, Junior, Electrical Engineering, Miami University Artificial Neural Networks as a Crossover Operator for Genetic Algorithms Joanna A. Fadel, Junior, Biomedical Engineering, Wright State University Neurofeedback as an Endogenous Neuromodulatory Method in the Treatment of Chronic Tinnitus Caleb R. Heitkamp, Junior, Mechanical Engineering, The University of Toledo Shared vs. Distributed Memory in CFD Coding Kayla M. Hummell, Junior, Mechanical Engineering, Ohio Northern University Cooling Systems with Absorbents Josephine Johnson, Junior, Environmental Engineering/Water Resources Management, Central State Univ. Does Household Water Filters Remove Microcystin Residue? Joseph R. Morin, Junior, Mechanical Engineering, Cedarville University Analysis of Surface Roughness on Friction Coefficient in Metal-On-Metal Hip Implants Maimouna Ndao, Junior, Chemistry, Central State University The Selective Removal of Strontium Ions from Simulated Nuclear Wastewater DeGraft A. Palmore, Junior, Electrical Engineering, The University of Akron Multi Mode Antenna Catherine M. Passmore, Senior, Mechanical Engineering, Case Western Reserve University Whegs™ Robot Wheel-Leg Design Comparison with Additive ManufacturingOlivia L. Petrey, Junior, Biomedical Engineering, The University of Akron The Effects of Anti-Gravity on the Bone Formation of Osteoblasts in Coculture Lauren B. Pinder, Junior, Manufacturing Engineering, Central State University Tasks of a Manufacturing Engineering Intern at John Deere Commercial Products Adam L. Reece, Junior, Mechanical Engineering, Miami University Characterization of Dynamic Responses of Bending Actuators Based on Magneto-Rheological Elastomers Nathaniel L. Richards, Junior, Aerospace Engineering, University of Cincinnati Reproducible Multi-rotor UAV Design Utilizing Additive Manufacturing Elizabeth A. Rogenski, Junior, Mechanical Engineering, Youngstown State University 3D Scanning of Metal Parts Produced by Selective Laser Melting Sara C. Sand, Junior, Engineering Physics, Ohio University Methods for Synthesizing Boron Nitride through Electrospinning and Subsequent Nitridation Liberty M. Shockley, Junior, Aerospace Engineering, University of Cincinnati Development of Navigation and Path Planning Algorithms for UAVs for SAR Ops Bruce G. Tokar, Jr., Junior, Mechanical Engineering, The University of Toledo Validation of Rotor Noise Prediction Using Benchmark Code Valerie A. Weaver, Junior, Mechanical Engineering, Case Western Reserve University Versatile Speedy Whegs for Varied Applications

13

STUDENT POSTER PRESENTATIONS – LOBBY (MAIN FLOOR) – Continued 11:00 AM to 12:15 (75 minutes)

Community College STEM Scholarship Recipients

(LOBBY LEVEL)Brett Enders, Lakeland Community College Flow Map Analysis of Refugee Migration Valerie Gardner, Clayton Mastorovich, and Catherine Nowlin, Lorain County Community College GC-MS Analysis of Unprecedented Whiskey Flavors Created by a Novel Aging Process Matthew Kolasinski, Lakeland Community College The Hunt for Exotic Particles Using Data from the Large Hadron Collider Jared Kossler, Sinclair Community College The Effects of Magnetic Fields on Radiation Edison B. Kupec, Lakeland Community College Effects of Data Classification Method on Map InterpretationHoward L. McKinney, Cuyahoga Community College The Photo Voltaic Closed Loop System – The Future of Transportation Daniel Meza, Lakeland Community College Statistical Techniques to Analyze Factors in C02 Emissions Jeffrey W. Roseberry, II, Sinclair Community College Interference Experiments with White Light Michelle R. Weber, Construction Management, Columbus State Community College 3D Printing in Construction Joseph M. Wisner, Construction Management, Columbus State Community College Drones in Construction Marlo Wolfe, Lakeland Community College Prevalence of Antibiotic Resistance in High Traffic Areas Around Campus Bryce J. Zwagerman, Lakeland Community College Stress Strain Test of 3D Printed Putter

Pre-Service Teacher (Education) Scholarship Recipients (LOBBY LEVEL)

Jenna N. Baechle, Junior, Middle Childhood Education, Mathematics and Science, University of Dayton Astronaut Safety and UV Protected SpaceshipsEllen N. Conrath, Sophomore, Early Childhood Education, Ohio University Jobs at NASA Richard A. Dillow, Post Bac., Middle Childhood Education, Mathematics and Science, Wright State University Food for Thought: Plant Growth in Microgravity EnvironmentsAbigail M. Fleming, Junior, Middle Childhood Education, Science and Mathematics, Cedarville University Bernoulli's Olympics Stacey N. Forte, Senior, Adolescent to Young Adult (AYA), Mathematics and Physics, Kent State University Trigonometry at NASA Emilia M. Jacobs, Senior, Early Childhood Education, Marietta College A Journey through Space: A Thematic Unit for Elementary Children Ann J. Klindworth, Senior, Middle Childhood Education, Science and Mathematics, The University of Akron Bringing Signals Down to Earth

14

STUDENT POSTER PRESENTATIONS – LOBBY (MAIN FLOOR) – Continued 11:00 AM to 12:15 (75 minutes)

Pre-Service Teacher (Education) Scholarship Recipients

(LOBBY LEVEL)Kelly E. MacDonald, Post Bacc., Middle Childhood Education, Mathematics, Ohio Northern University Anti-gravity Workout Chelsea R. Myers, Senior, Early Childhood Education, University of Cincinnati Launching the Principles of Rocketry Kristen R. Schuler, Senior, Adolescent to Young Adult (AYA), Mathematics/Physics, Cleveland State University The Science of Cell Phones Lindsey A. States, Sophomore, Adolescent to Young Adult Education, Mathematics, Miami University Surviving on Mars with Rations

STUDENT TEAM DISPLAY – OUTSIDE PRESIDENT’S ROOM (LOWER LEVEL) 11:00 AM to 12:15 (75 minutes)

The University of Akron (UA)

NASA Robotics Mining Competition Team Team Members: Dana Cressman Zachary Kilburn Igor Vinograd Jack Wolfe, III

Advisor: Dr. Seungdeog Choi

Lorain County Community College Unmanned Aircraft Systems (UAS) Team

Team Member: Emilio Borges

Advisor: Professor Marlin Linger

15

  

Friday, April 1, 2016 Ohio Aerospace Institute 

Cleveland, Ohio 

16

 

OSGC Interim Director, Dr. Jed Marquart ofOhio Northern University, gives the opening remarks and welcomes students and guests. 

17

  

Daniel Gerges presented his research on “Design, Fabrica on and Integra on of a low thrust 

measurement stand for the Al tude Combus on Chamber at Glenn Research Center.”

Shannon Hunter asks, “Do the Portage Lakes Provide a Baseline Algal 

Community for Comparison to Lake Erie’s Harmful Algal Blooms?”

Colleen Bransley delves into “Four‐wave Mixing in Silicon Waveguides.” 

Blair Wilson explains his findings on “Hydraulic Fracturing’s Risk to Fresh Water Aquifers.”

 Shaun Stoner con nues his inves ga on into ” Composite Peak Produc on Curve Analysis.”

Grace Revenaugh reveals her “MiR‐146a Upregula on of Phagocytosis in Human Macrophage Sjögren’s Syndrome Model.”

18

  

Sloan Zimmerman explains the "Walking‐Assis ve Exoskeleton Based in Model‐Based Op miza on 

and Online Itera ve Development.”

Michael Po er goes in depth on his “Inves ga on of Treadmill Influence on Whole‐limb Angle During 

Human Gait.” 

Achal Singhal elaborates on “Understanding and Control of Unsteady Flow Separa on 

Over an Airfoil.” 

Calvin Anderson’s presenta on was on “Dis nguishing Weathered Joints from Injec tes: Analysis of Mt Nebo Pointe, Pi sburgh, PA.”

Maureen Dean spoke about “Predic ons of Human Radius Compressive Strength by Measurements of 

Bone Mineral and S ffness.”

Rebekah Douglass shared her findings on, “Empirical Characteriza on of Rotorcra  

Ice Shed Events.” 

19

  

Andrew Knueven begins his presenta on on “Addi ve Manufacturing:  Cas ng a Francis 

Turbine Runner.” 

Michael Rade c goes in depth on “Blood Detec on using Carbon Nanotubes and 

Amino Acid Sequences.” 

Miguel Richey explains his research results on “Kent State Flight Quality Assurance”. 

Joshua Smith explains the success and challenges of his research on 

“Computer Simulated Hypersonic Airflow Over an Oscilla ng Airfoil.” 

20

  

   

The University of Akron 

Lunabo cs Team featured here 

with CHRISTEE the Robot 

(from le  to right):  

Dana Cressman Zac Kilburn 

Reed Jacobsen Igor Vinograd 

     

  

   

Rachel Cadesky NASA Glenn Research Center Human Resources 

21

  

Liberty Shockley (University of Cincinna ) and her poster on “Development of Naviga on and Path Planning 

Algorithms for UAVs for SAR Ops.”

Bryce Zwagerman (Lakeland Community College) showcases the pu er he researched on “Stress Strain test on 3D Printed Pu er.” 

 Kent State Campus Representa ve Dr. Joseph Or z with 

Doctoral student Dulcinea Avouris (le ) and Scholar Shannon Hunter (right).

Lauren Pinder (Central State) explains “Manufacturing Engineering Role at John Deere Commercial Products” 

to Joshua Smith (Miami University).

 The University of Akron students 

DeGra h Palmore and Olivia Petrey.

Sara Sand (Ohio University), Elizabeth Rogenski (Youngstown State University), and Marlo Wolfe 

(Lakeland Community College). 

22

Miami University Campus Representa ve, Dr. James Moeller and Educa on Scholar Lindsey States. 

Central State University Campus Representa ve, Dr. Augustus Morris, Jr., and University of Cincinna  

Educa on Scholar Chelsea Myers. 

 Abigail Fleming (Cedarville University) and University of Dayton students Jenna Baechle and Colleen Bransley.

Emilio Borges representing Lorain Community College and their drone team. 

Case Western Reserve University students (from le  to right) 

Valerie Weaver, Kayla Andersen, and Catherine Passmore with Dr. Richard Bachmann.

Ma hew Kolasinski (Lakeland Community College) shares his work on “The Hunt for Exo c Par cles Using 

Data from the Large Hadron Collider” with Andrew Work (Ohio Aerospace Ins tute).

 

 

    

23

 Dr. Michael L. Heil, President and Chief Execu ve Officer of the Ohio Aerospace Ins tute (OAI), was the luncheon keynote speaker who gave students a look at his long and storied career as an Officer in the 

United States Air Force, and career in Aerospace and beyond.  

 Dr. Michael L. Heil 

   

  

Dr. Marquart and Dr. Heil  

   

24

 The evaluators of the Poster Session selected their winners who were presented with a certificate and NASA briefcase by OSGC Interim Director, Dr. Jed Marquart, 

OAI President and Chief Executive Officer, Dr. Michael Heil, and Cleveland State University Professor, Dr. Jay Reynolds. 

 

Best Community College Poster Winner 

Bre  Enders from Lakeland Community College 

 

Best Educa on Poster Winner Kristen Schuler from 

Cleveland State University 

 

Best STEM Scholar Poster Winner Sofia Chinchilla from 

The University of Akron 

  

25

Biologically Accurate Redesign of a Puppy Robot’s Front Legs  

Student Researcher:  Kayla B. Andersen  

Advisor:  Dr. Roger Quinn  

Case Western Reserve University Mechanical and Aerospace Department 

 Abstract Currently the puppy robot in the Biologically Inspired Robotics Lab is used as a test bed for neural network conrol. However, the existing puppy robot’s front legs are not properly jointed/configured to produce accurate dog‐like movements (as such, control has only been written for the back legs). The goal of this project is to redesign the front legs of this robot to enable it to achieve a realistic dog‐like gait. This redesign contains the same number of joints as the existing front legs (3 controlled degrees of freedom), and utilize the same Festo Mckibben‐like actuators as the rest of the robot [1]. This improvement will ultimately allow for the development of a control system that incorporates the front legs. At the current stage a preliminary 3D design has been developed with comparable range of motion to actual greyhound and whippet dogs.  Project Objectives This project has several key objectives: to develop a kinematic model of the front legs containing a shoulder blade (including limb lengths, range of motion of joints and anticipated muscle insertion points), to verify the design as feasible for supporting the robot’s weight, and to design machineable “bones” and joints in Solidworks with the ultimate goal of manufacture.   Design Methodology 

i. Determination of Desired Robot Kinematics In order to create a basic kinematic model for the new front leg design the bone lengths and joint ROMs had to be determined. Bone lengths were determined using Whippet relative length data [2], combined with the humorous bone length data from a greyhound anatomy [3]. The remaining bone lengths were determined by solving for the full length of the limb using the ratio, and using the calculated full length to determine the lengths of the other bones. The necessary range of motion of each of the joints was determined via the Whippet Kinematic data in the Dogs in Motion book [2], as well as visual inspection of dog motion cycles (supplemental material to Dogs in Motion).   

ii. Determination of Muscle Insertion Points Having determined the bone lengths and goal joint ROMs, the locations for the Festo muscle insertion points needed to achieve those goals had to be determined. The preliminary iteration was done using the previously developed kinematic model and a sketch in Solidworks. Muscle insertion points were “added” in the 2D model, and the joints were moved to their extreme positions while checking that the contraction of the “muscle” fell below 16% contraction (the maximum allowable for reliable actuation). A second iteration using a simplified 3D SolidWorks model was performed to verify the feasibility of the 2D muscle attachment points with regards to the goal ranges of motion (Figure 1).  

26

 Figure 1.  Initial 2D Solidworks Model (left), 3D Solidworks Model (right). 

 iii. MATLAB Analysis 

With the ROMs satisfied via purely kinematic analysis, the newly designed front legs still need to be tested for functionality (defined as the ability of the robot to support its own weight). To determine this functionality a MATLAB script is being written to determine the required joint torques, and the joint torques able to be produced by the design. Currently the program plots the geometry of the leg (bones, muscle attachment points and muscles) using a forward kinematic model, and determines the required joint torques. 

 Figure 2.  Matlab generated front leg, bones blue, attachment points red, muscles green. 

iv. Design of Bones and Muscle Insertion Points Once the design has undergone its final feasibility iteration (MATLAB analysis and redesign),  the machinable bones and muscle insertion points will be designed.  Results Obtained The achievable range of motion of the new front leg design (pending MATLAB analysis confirmation/rejection) is comparable to the actual range of motion of a Whippet/Greyhound (Table 1).     

27

Table 1.  Joint ROM data for front legs. *Note: Achieved refers values obtained via the 3D model.  

Joint  Actual Sweep Goal Sweep 

Goal Range 

Achieved Sweep* 

AchievedRange* 

Extensor Length*  

Flexor Length* 

SB_body  54°  60°  50°‐110°  68°  50‐118°  11.63”  10.75” 

SB_UA  40°  60°  105°‐165° 52° 106‐158° 7.5” 5.75” 

La_P  129°  125°  75°‐200°  102°  84‐186°  10.31”  11.38” 

 Status of the Project and Interpretation of Preliminary Results Based on the preliminary results the development of front legs with close to the desired range of motion appears to be feasible. Currently the MATLAB script is nearly complete, and following the resulting analysis the actual machinable components are to be designed in the coming weeks.  Acknowledgments  I would like to thank Dr. Alex Hunt for his help and guidance. I would also like to thank my advisor Dr. Quinn.  References 1. K. Aschenbeck, “Design of a Quadruped Robot Driven by Air Muscles,” M.S. Thesis, Dept EMAE, 

CWRU, Cleveland, OH, 2006. 2. M. S. Fischer and K. E. Lilje, Dogs in Motion, Paderborn: Bonifatius GmbH, 2011. 3. S. Williams, A. Wilson, J. Daynes, K. Peckham and R. Payne, “Functional anatomy and muscle 

moment arms of the thoracic limb of an elite sprinting athlete: the racing greyhound (Canic Familiaris),” Journal of Anatomy, vol. 213, pp. 373‐382, 2008. 

4. A. Graber‐Tilton, “Elements of Control for a Quadruped Robot,” M.S. Thesis, Department EMAE, Case Western Reserve University, Cleveland, OH, 2016. 

28

Distinguishing Weathered Joints from Injectites: Analysis of Mt Nebo Pointe, Pittsburgh, PA  

Student Researcher:  Calvin J. Anderson  

Advisor:  Dr. John H. Whitmore  

Cedarville University Department of Science and Mathematics 

 Abstract Continued study of the Mt Nebo Pointe highwall suggests the spectacular sand‐filled cracks were not formed by injection as first hypothesized, but by chemically active fluids that flowed along joints and fractures, resulting in blocky vertical weathering along Liesegang bands.  Petrographic analysis of oriented samples showed the inter‐crack sandstone and the host rock exhibit the same mineralogy, subhorizontal grain trends and grain packing. Close examination of the highwall revealed that some cracks contain horizontal muscovite‐rich weathering planes concordant with bounding surfaces. Conversely, a sand injectite hypothesis would predict the material to be of different composition with clear dike‐parallel grain trends, tight packing and truncation of host sedimentary structures. Only one sample showed any vertical trends, appearing to grade laterally from coarse to fine sand. However, the mineralogy does suggest pervasive oxidative diagenesis related to fluid flow. Chlorite grains and iron oxide cement account for 15% and 3% of the host rock respectively, while the inter‐crack sandstone contains up to 25% chlorite, ubiquitous iron oxide cement and increased secondary porosity. Muscovite and biotite are important accessories in all samples, and kaolinite is a minor accessory. Throughout the highwall, zones within and immediate to fractures are dominated by iron‐oxide cement and Liesegang bands. A sharp “bathtub ring,” seen approximately six meters from the base, may indicate the maximum saturation level.  The distribution of crack morphologies does not appear to be associated with the highwall’s excavation. Cracks in the flanks tend to fan upwards while those nearer the center are linear and subvertical, even where overburden is minimal. It seems more likely this is linked to the joints’ proximity to the surface during either their formation or oxidation.  In light of these results, the term “dike” previously and tentatively used to describe these features is now considered an inaccurate genetic description.  Objectives This report completes the project published in last year’s OSGC symposium proceedings (Anderson, Whitmore, and Austin 2015), the broad purpose of which was to determine whether the strong vertical features in the Mt Nebo Pointe highwall are true sand injectites, or rather the product of intense differential joint weathering, which can sometimes bear tremendous superficial resemblance. Petrographic analysis, complemented by field observation, was necessary to positively distinguish between injectites and weathered joints. Injectites, formed by liquefaction and injection, have been documented to exhibit a suite of characteristics including strong vertical grain trends, foreign composition, tight packing, and truncation of sedimentary structures (Hurst, Scott, and Vigorito 2011). By contrast, weathered joints would closely mirror the characteristics of the host rock, but with a higher diagenetic mineral content.  

29

Methods Petrography of oriented samples was a key component of this work. Thin sections of host rock and three joints were prepared by Calgary Rock and Materials Services Inc., and analyzed using a Nikon Eclipse 50i POL microscope. All thin sections and micrographs are vertically oriented. The trend of each sample was determined by systematically measuring the orientations of inequant grains, particularly micas. Rose diagrams were plotted with R. More detailed observations of joint morphologies and distribution were conducted in the field and with the high resolution composite image produced previously. As a proxy for relationship to overburden, the base‐width to top‐width ratios were compared to their vertical and horizontal proximity to the surface.  Results Overall grain orientation preferences were horizontal and weak, rather than strong and vertical, despite the apparent vertical texture observed in MNP‐12. No correlation at all could be found between joint morphology and overburden, except that the widest and most flared joints were closest to the flanks of the hill, but some of the thinnest and most linear joints were found in the center of the wall where overburden was least.  MNP‐A, the massive host rock, is an immature micaceous sandstone with moderately poor sorting. It is composed of about half fine/medium subangular quartz, most of which exhibit undulatory extinction, many contain abundant fluid inclusions, and some are aggregate grains. Abundant platy chlorite is often pinched between grains and/or in direct contact with muscovite, which is the secondary mica. Biotite, along with angular/subangular plagioclase, chert and K‐feldspar, are accessories. There may be minor kaolinite as well. Iron oxide cement is seen as frequent nucleations around grain boundaries. The remaining volume, about 15%, is pore space, a large fraction of which is secondary. The inequant grain trend appears to be evenly bimodal. The hand sample is gray, massive and structureless.  MNP‐B, a joint adjacent to the massive sandstone, is an immature micaceous sandstone with abundant hematite cement and moderately poor sorting. It is mineralogically identical to MNP‐A, except that a significant portion of the pore space is filled with iron oxides. It is composed of about 45% angular/subangular quartz and quartz aggregates, 20% chlorite, 10% hematite grains and iron oxide cement, 3% muscovite, accessory biotite, plagioclase K‐feldspar, and about 12% porosity. Inequant grains show a weak polymodal trend, which is less evenly distributed than MNP‐A. Hand sample is reddish in color, but texturally comparable to the massive sandstone host. The joint exhibits vertical blocky structure of near constant width, and joint‐parallel Liesegang bands are abundant.  MNP‐D, a joint adjacent to cross‐beds, is an immature micaceous sandstone with ubiquitous hematite cement and moderately poor sorting. The texture is slightly finer and better sorted than MNP‐A or B, and contains a higher fraction of quartz. Chlorite is a dominant mineral, but there are also notable grains of muscovite and biotite. It contains very little porosity, about half of which is secondary, possibly from dissolved K‐feldspar. Inequant grains show a weak polymodal trend, which could correspond with the low angle cross‐beds. The joint exhibits similar vertical structure to MNP‐B, but also fractures subhorizontally. The top and bottom of the hand sample are planar, and are concordant with adjacent tangentially terminating cross‐beds. The bottom surface has a high concentration of flat‐lying muscovite, which could represent a bounding surface.  MNP‐12, the most severely expanding joint, is an immature micaceous sandstone with moderately‐poor sorting. It is about half fine/medium subangular quartz. Micas are tabular to platy, reaching lengths up to 1 mm. Biotite accounts for about 18%, which is higher than in other samples. Muscovite is the second 

30

most abundant mica at 9%, followed by chlorite at only 5%. Much of the biotite is moderately to highly weathered. Micas are very frequently contorted, pinched between and wound around other grains. Iron oxide cement accounts for only about 4%, but more may be present in the grooves of mica grains. Kaolinite and plagioclase are minor accessories. The hand sample exhibits peculiar lateral grading from medium sand on the left to fine/medium sand on the right, which is bounded by a Liesegang band.  Significance These features have presented an intriguing puzzle. At first appearance, they certainly resemble injectites, in that they are sand‐filled cracks possessing clear vertical features and with apparently different character than their host rock. In places, they also appear to truncate sedimentary structures, but in the westernmost part of the wall, the massive host rock contains no traceable structures to confirm this. Where the host rock is cross‐bedded, the foresets are so fine that they are nearly impossible to establish whether they persist across the feature. Objects initially taken to be oriented clasts turned out not to be clasts at all, but undisplaced host rock that has undergone comparatively lesser oxidation and is therefore a grayer hue. Oxidation spots around hematite clasts are abundant in the massive sandstone. The blocky vertical weathering corresponds to zones between extensive joint‐parallel Liesegang bands which are pervasive on either side of virtually every crack in the wall, and indicate joint‐parallel fluid migration. The thin sections clearly show that both the host rock and selected joint material show a weak polymodal horizontal grain preference rather than the strong preference associated with true injectites. There also does not seem to be significant reduction of porosity within joints, except where hematite has precipitated. MNP‐12 is significant because it contains the only trends which may be consistent with an injectite hypothesis. The lateral grading within MNP‐12 is anomalous, yet not dismissible. Many micas, especially in MNP‐12, have been contorted around other grains. Pressurized fluid migration could conceivably rotate the grains without entirely remobilizing them. It has also been suggested that these joints are the consequence of unloading during excavation, but no correlation could be found between joint morphology and either overburden or proximity to the surface. Also, no similar features have been reported in Casselman Fm. anywhere in the Pittsburgh area, a city where wall excavations are common.  In contrast with true injectites, these joints are compositionally and texturally identical to the host rock, and do not contain strong orientation preferences or abnormally tight packing. However, they do exhibit weak grain trends rather than random orientation, consistent with pressurized fluid migration. These observations suggest that the cracks are a set of preexisting joints intensely oxidized during pressurized fluid migration without full liquefaction, and that subsequent weathering was controlled by Liesegang banding.     

31

Figures MNP‐A          MNP‐B 

  

MNP‐D          MNP‐12 

 Figure 1.  Rose diagrams showing grain orientation data. Length of the vector sum indicates confidence in the mean. The slight shift in MNP‐B, D, and 12 may indicate a small degree of remobilization.  

     Figure 2.  Thin sections of MNP‐12 showing (left) kinked muscovite grains, and (right) a contorted biotite grain. Many micas are contorted around and pinched between other grains, suggesting slight remobilization. Scale bars are 500 microns.  

32

  Figure 3. Subhorizontal joint fracturing concordant with host rock cross‐bedding. Meter stick for scale.  Acknowledgments I would like to thank Raymond Strom of Calgary Rock and Materials Services Inc. for cutting world‐class thin sections, stitching large chunks of the panorama, and providing valuable insight. I also thank the Ohio Space Grant Consortium for funding this project.  References 1. Anderson, C.J., Whitmore, J.H., and Austin, S.A., 2015, Sand injectite complex at Mt Nebo Pointe, 

Pittsburgh, PA?, in NASA/Ohio Space Grant Consortium 2014‐2015 Annual Student Research Symposium Proceedings XXII, p. 26‐27. 

2. Hurst, A., Scott, A., and Vigorito, M. 2011, Physical characteristics of sand injectites: Earth‐Science Reviews, vol. 106, p. 215‐246. 

33

Keeping an Eye on Lake Erie:  Using Remote Sensing to Analyze Harmful Algal Blooms  

Student Researcher:  Dulcinea M. Avouris  

Advisor:  Dr. Joseph Ortiz  

Kent State University Department of Applied Geology 

 Abstract Harmful Algal Blooms (HABs) in the Western Basin of Lake Erie have become a significant problem over the last 5 years. In particular, HABs that include significant amounts of cyanobacteria (cyanoHABs) are toxic to humans, and pose a threat to drinking water, as well as recreation and economic use of Lake Erie. Lake Erie is a Case II environment, where the optical signal of in‐water constituents is complex (Becker et al. 2009; Ortiz 2013), but can be identified using derivative spectroscopy methods. This method, developed by Ortiz (2013), is applied to Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) images of western Lake Erie in July and September, 2015. Field water samples collected during the early weeks (June 8‐July 27) of the 2015 field campaign in Sandusky Bay and along the coast of the Central Basin were processed and analyzed to provide ground‐truth verification data. Reflectance spectra for each field collection site were obtained using an ASD Lab Spectrophotometer to measure the particulate matter left on filters after the water sample is filtered. Principal components for both the field and remotely sensed data were extracted using Varimax‐Rotated Principal Component Analysis (VPCA) to decompose each image. Four primary components were identified for the MODIS images and field samples. The field data VPCA components matched closely with the MODIS VPCA components, indicating that remote sensing observations can be analyzed with derivative spectroscopy methods to identify dominant color producing agents (CPAs) within the water column.   Project Objectives The objectives of this phase of the project were two‐fold: to use the derivative spectroscopy method to analyze MODIS images using readily available image processing software; and to verify that remotely sensed images can be effectively used to identify CPAs and their spatial & temporal variation in Lake Erie. Accomplishing these objectives required finding images of western Lake Erie that were relatively cloud free, and investigating various software packages for image processing. Previously reflectance spectra datasets had been analyzed using Excel and SPSS to calculate the derivative spectra, and preform the VPCA calculations. The size of remotely sensed image files required a more integrated approach. The results of image analysis using image processing software was compared to results from the original analysis protocol to verify that the method was followed correctly. The results of the MODIS decomposition were compared to field sample results for verification.  Methodology Used  Water samples were collected at 11 set field sites, revisited weekly, in Sandusky Bay and along the central basin coast between Sandusky and Lorain, OH. The samples were placed on ice in coolers for transport back to the lab, and then 250 mL of sample water was filtered onto a glass fiber filter paper (GF/F 47mm diameter, 0.7 micron pore) using a vacuum filter system to remove all particulates from the sample. Because of the pore size, colored dissolved organic material (CDOM) is not retained on the filter paper, and does not contribute to the reflectance spectra. Each filter paper was weighed before filtering. The filter paper was then wrapped in tin foil and frozen. To prepare the sample for analysis with the spectrophotometer, the filter was dried at 600 F for 24 hours in a drying oven, and weighed 

34

when dry. The reflectance spectra of the sample was measured with the ASD spectrophotometer, which measures wavelengths in the Ultra‐Violet to Infrared range (350‐2500nm) using a sampling rate of 300 measurements per wavelength. The instrument was calibrated before each sample, then an unused (blank) filter was measured three times at the beginning and end of the batch of filters being measured. Each sample filter was then measured three times, after which the instrument probe was wiped to remove any particles.  The instrument was then recalibrated for the next sample. The software associated with the spectrophotometer saved each reflectance spectra, which were combined into a text file to facilitate transferring the data to analytical software for interpretation.  For the purposes of this investigation, the data was examined from 350‐986nm. The three measurements for each sample were averaged, and then normalized with the average measurements from the blank filter measured before and after the batch. The normalized spectra (figure 1) were then interpolated to 5nm, and the first derivative (figure 2) was taken. All first‐derivative spectra were compiled into a single matrix, using wavelengths from 400‐700nm (the visible light range), and a VPCA was performed using SPSS software, with standard options. VPCA is a statistical tool that identifies independent, linear combinations of the input variables (components) in a multivariate dataset that explain the largest percentages of variance within the data. These variable are retained, and unimportant variables are discarded. The varimax rotation step of the VPCA analysis maximizes the variance for each identified component in order to further decorrelate complicated data.  The principal components were compared to known spectral signatures for various phytoplankton assemblages, in order to identify CPAs in the water samples.  The MODIS sensors are multispectral instruments that collect data in 36 discrete wavelength bands, 10 of which are within the visible light spectrum (400‐700nm), and are carried by NASA’s Aqua and Terra satellites. Each satellite provides daily images, with a pixel resolution of 1km.  The images used in this analysis were downloaded from the NASA OceanColor website (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/cms/), which provides MODIS data that has been processed with atmospheric corrections, and includes pixel quality flags, cloud cover, and land mask options. These are Level 2 OceanColor products. In addition, the software package SeaDAS, an image analysis package specifically designed to view and manipulate remote sensing images, is freely available from the OceanColor group. MODIS images of western Lake Erie obtained on July 28, Sept 14, and Sept 16, 2015 were downloaded, and inspected in SeaDAS. These images take the form a 3‐D data cube, where the x‐y dimensions correspond to the latitude and longitude, and the z‐dimension is the spectral range of the instrument. The land and cloud masks were applied to the image in this program, and the image was cropped to isolate Lake Erie. The cropped and masked image was then processed using the ENVI/IDL software package. ENVI is the image analysis software, and IDL is a programming platform that provides imbedded data manipulation functions as well as functionality for writing individualized algorithms. The integration of these two programs made it ideal for derivative spectroscopy analysis. Using both IDL & ENVI imbedded functions, and algorithms created specifically for this project, the derivative spectra was calculated for each pixel in the image, and then a VPCA analysis was performed on the derivative spectra. The VPCA components provided information for calculating the VPCA scores for each pixel in the image, allowing us to make images of Lake Erie that indicate how much each pixel is associated with each VPCA component, visualizing the spatial distribution of the components.  Results Obtained The establishment of a working method for processing remote sensing images using a combination of software packages is a key result of this project. This method includes algorithms written specifically for our purposes, and streamlines the analysis of images beginning with the downloaded product. The 

35

method is also flexible so that we can apply it to images obtained by other remote sensing instruments, and can also include steps for creating land and cloud masks, if necessary. The algorithms we wrote calculate the derivative spectra while maintaining the 3‐D format of the image, then use the ENVI‐imbedded principal component analysis function as the basis of a subsequent varimax rotation step. This method allows other members of the lab group to easily analyze datasets to identify the principal components that identify CPAs within the water column.  The VPCA analysis of ASD Labspec Pro FR measured field data yielded components that closely matched the components from the July 28 MODIS image, after appropriate spectral averaging. The first two components from the analysis are shown in figure 3. VPCA component 1 in both datasets represent the toxic algae within the bloom, while VPCA component 2 (MODIS) and VPCA component 2+3 (field) represent non‐toxic algae within the bloom. The Labspec Pro FR measured field data was obtained at hyperspectral resolution, and thus produced more components than the multispectral MODIS data. The MODIS VPCA component 3 represents colored dissolved organic material (CDOM), which is not present in the filtered field samples because the filter pores are too coarse to retain CDOM. VPCA component 4 primarily represents noise, with a small signal from coastal sediment and algae. MODIS images from September 14 & 16, 2015 show similar patterns. The spatial distribution of the bloom can be seen in the component scores (figure 4) for all three MODIS images. The striping visible in the 3rd and 4th components is due to a mechanical mirror malfunction in the MODIS sensor.  Significance and Interpretation of Results These results verify that remote sensing data can be used to effectively identify CPAs in complex systems. The close match of the field data VPCA components with the MODIS components demonstrates that the dominant pigments were identified in both the field and satellite data. Differences in the signals can be explained by the difference in spectral and spatial scale of the two datasets, as well as the difference between filtered and dried particulate matter and the water column.  The spatial distribution of the toxic cyanobacteria portions of the 2015 HAB is important to identify. In July the cyanobacteria bloom extended from southern Maumee Bay out into the Lake, and surrounded the western basin islands, while the non‐toxic HAB extended along the coast and into Sandusky Bay. In September the spatial distribution was largely the same, with more cyanobacteria in Maumee Bay, but overall the HAB was somewhat more diffuse. The HAB that developed north of Cleveland in the central basin is also visible in the September images. Figure 5 shows a true‐color MODIS image from September 6, 2015, where much of the same structure is visible. However, the consistent green color of the HAB in the true‐color image underscores how complex the optical signal is in Lake Erie. Distinguishing between toxic and non‐toxic algae in a timely fashion is vital for municipal water authorities that draw from Lake Erie, as well as for recreation managers who oversee public beaches. This method is rapid, uses readily available data and software, and can be used as a tool to guide monitoring efforts.     

36

Figures  

   

   

      

Figure 1.  Example of reflectance spectra of particulate matter left after filtering field water samples. These samples were collected on June 8, 2015.

Figure 2. Derivative reflectance spectra from field samples collected on June 8, 2015. The reflectance spectra for the same samples are shown in Figure 3. 

‐0.6

‐0.4

‐0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2‐1.5

‐1

‐0.5

0

0.5

1

1.5

400 450 500 550 600 650 700

Compo

nent

loadings

wavelength

VPCA COMPONENT 1ASD GF/F 1 resampled at MODIS resolution (R= ‐0.90)

MODIS 1

ASD GF/F (MODIS Resampled) 1

‐0.6

‐0.4

‐0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4‐0.8

‐0.6

‐0.4

‐0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

400 450 500 550 600 650 700

Compone

nt loading

s

wavelength

VPCA COMPONENT 2ASD GF/F 2+3 resampled at MODIS resolution (R= ‐0.92)

MODIS 2

ASD GF/F (MODIS Resampled) 2+3

Figure 3. VPCA components 1 & 2 from field data and the July 28, 2015 MODIS image, showing very good correlation. The field data has been resampled to match the spectral resolution of the MODIS sensor. 

37

   

  Acknowledgments Many thanks to Dr. Joseph Ortiz for his guidance and advice, and to fellow lab members who contributed to processing and analysis of field samples – Dr. Sushma Parab, Kyle Carey, Kristin Slodysko and Amber Huston. The author also thanks the Ohio Space Grant Consortium for funding this work, and NASA OceanColor (OB.DAAC) for many MODIS images used in this project, as well as the SeaDAS software package.     

28 July 2015 

1 

2 

3 

4 

16 Sept 2015 

3 

4

2

1 

14 Sept 2015

1 

2 

3 

4 

Figure 4. Spatial distribution of VPCA component scores for MODIS images collected on July 18, Sept. 14, & Sept. 16, 2015. VPCA 1 represents cyanobacteria, VPCA 2 represents non‐toxic algae & sediment, VPCA 3 represents CDOM, and VPCA 4 represents noise, with a small signal from coastal algae & sediment. 

Figure 5.  True color MODIS image of Lake Erie on Sept. 6, 2015, showing the extent of the algal bloom (NOAA’s Experimental Lake Erie HAB bulletin, Nov. 10, 2015). 

38

References 1. Ali, K.A., D.L. Witter, J.D. Ortiz. 2013. “Application of empirical and semi‐analytical algorithms to 

MERIS data for estimating chlorophyll a in Case 2 waters of Lake Erie.” Environ. Earth Sci. doi:10.1007/s12665‐013‐2814‐0. 

2. Becker RH, Sultan MI, Boyer GL, Twiss MR, Konopko E. 2009. Mapping cyanobacterial blooms in the great lakes using MODIS. J Great Lakes Res 35(3):447‐53. 

3. Bonini, N., Ortiz, J.D., Comparison of VNIR Derivative and Visible Fluorescence Spectroscopy Methods for Pigment Estimation Old Woman Creek Huron, OH, Annual Water Research Symposium, Kent State University, Nov 14‐15, 2013, Kent, OH, Abstract Volume Abstract #4, 2013.\\ 

4. Ortiz JD. 2013. Evaluating multiple colour‐producing agents in case II waters from lake erie. Int J Remote Sens 34(24):8854; 8854, 8880; 8880. 

5. Ortiz, J. Summer 2014 CyanoHAB fieldwork: Kent State University ASD FieldSpec Spectroradiometer data. 2014 Lake Erie HABs Campaign Data Meeting, Lake Erie Center, University of Toledo. January 2015. 

6. NASA Goddard Space Flight Center, Ocean Ecology Laboratory, Ocean Biology Distributed Active Archive Center; (2014): Moderate Resolution Spectroradiometer (MODIS) Ocean Color Data, NASA OB.DAAC. Accessed on 2015/9/15. 

39

Astronaut Safety and UV Protected Spaceships  

Student Researcher:  Jenna N. Baechle  

Advisor:  Said Elhamri  

University of Dayton School of Education and Health Sciences 

 Abstract I taught a lesson to a fifth grade science class about the conditions astronauts and spacecraft encounter during space travel. The students had just finished a unit on astronomy in which they learned about stars and space. In this lesson I explain to the students that the sun gives off dangerous radiation and astronauts have to protect themselves from this radiation while in space. I had the students work in groups and design a shield for a spacecraft that would protect the astronauts from radiation. At the end of the lesson each group tested their design and then we discussed if their shields were successful and why or why not. The students then calculated their shields mass and were given a chance to redesign to see if they could make successful shields using less or different materials.  Instructional Procedures Day 1: Introduction Motivational activity: (10 mins)  1. Talk to the students about what they have already learned about space travel.    a. ‘While you were researching different astronauts and space missions did you notice any of the        dangers astronauts face in space?’ 2. Introduce video 

a.  This is a video of astronauts talking about one of the dangers they face in space. b.  https://www.nasa.gov/audience/foreducators/topnav/materials/listbytype/SF_Radiation_Ch

allenge_MS_video2.html#.VvatO6grKt8 c.  Play video from 1:30 ‐ 3:52 d.  ‘What danger did these astronauts talk about? Do we have to protect ourselves from 

radiation on earth? What are some ways we protect ourselves from radiation on earth? In space there is no atmosphere to protect the astronauts so they are being exposed to much larger amounts of radiation.’ 

Procedures: (20 mins) 3. Introduce the activity: ‘Today we are going to create a shield for a NASA spaceship that will protect our astronauts from space radiation.’ 

a.  Assign students to groups of 3 or 4 students. Within these groups each student will be assigned a title: Project Manager, Engineer, Scientist or Logistic. Tell them what is expected of each person. I.  Project Manager:  Your job is to