Simulation der Planeteninnendifferenzierungsprozesse im Labor

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, den Differenzierungsprozess im Inneren eines Planeten zu simulieren. Dies wird erreicht, indem zunächst Olivin-Silikat-Eisenpulver und Eisensulfid homogen miteinander vermischt werden. Im zweiten Schritt wird das Gemisch in eine Hochdruck-Zellanordnung eingebracht.

Anschließend wird die Probe in einer Mehrstempelpresse auf sechs Gigapascal druckbeaufschlagt und auf 1.800 Grad Celsius erhitzt. Der letzte Schritt besteht darin, die Probe zu gewinnen und für die 3D-Bildgebung vorzubereiten. Letztendlich dient das 3D-Bild der Visualisierung der Verteilung von Silikon und geschmolzenem Metall sowie der Bestimmung, ob das flüssige Metall durch das kristalline Silikon perkolieren kann, um einen Kern zu bilden.

Mit dieser Methode können Schlüsselfragen in der Planetenforschung beantwortet werden, beispielsweise zur Kernbildung von Planeten durch Perkolation. Beginnen Sie mit der Vorbereitung der Materialien zur Simulation des Perkolationsprozesses. Stellen Sie bei der Kernbildung etwa ein Gramm eines Gemischs aus natürlichem Silikat, Olivin und metallischem Eisenpulver mit 10 Gewichtsprozent Schwefel in einer Agathmühle her.

Unter Ethanol-Vermahlung das Ausgangsmaterial eine Stunde lang als gemischtes Pulver aufbereiten. Danach die Materialien eine Stunde lang bei 100 Grad Celsius trocknen, das getrocknete Material entnehmen und nach dem Abkühlen die Vorbereitungen für die Multiwinkel-Experimente beginnen. Das Ausgangsmaterial in eine CI-Aluminiumoxid-Kapsel einfüllen, die etwa 1,5 Millimeter im Durchmesser und 1,5 Millimeter in der Länge misst.

Als Nächstes wird die Kapsel in eine Hochdruckzellenanordnung eingebracht, die über eine elektrische Widerstandsheizung für die Probe verfügt. Die Zelle ist nun bereit für die Verwendung in einer Multiwalzen-Hochdruckapparatur. Die Zellenanordnung wird in der Apparatur montiert und die Probe wird hier basierend auf einer Fixpunkt-Druckkalibrierungskurve auf den Ziel-Druck von sechs Gigapascal komprimiert.

Verwenden Sie außerdem die elektrische Widerstandsheizung, um die Probe auf 1.800 Grad Celsius zu bringen, die Zieltemperatur. Halten Sie für dieses Experiment den Druck und die Temperatur 12 Stunden lang konstant.

Nach Abschluss des Experiments kühlen Sie die Probe durch Abschalten der Heizleistung auf Raumtemperatur ab und lassen den Druck langsam über einen Zeitraum von sechs Stunden durch Öffnen des Hydraulikölventils ab. Schließlich bergen Sie die Hochdruckanordnung, und die Analyse der Probe erfolgt mittels eines fokussierten Ionenstrahls mit Rasterelektronenmikroskop. Bereiten Sie die Probe für die Verwendung im Gerät vor, indem Sie sie montieren, polieren und ihre Oberfläche mit Kohlenstoff beschichten.

Danach in die Probenkammer des Instruments einlegen. Die Probe am Schnittpunkt des fokussierten Ionenstrahls und des Rasterelektronenmikroskops bei einer Arbeitsdistanz von fünf Millimetern ausrichten. Die Probe präparieren, um ein Volumen von 15 mal 20 mal 20 Kubikmikrometern freizulegen.

Setzen Sie dann die Bearbeitung mit dem Ionenstrahl fort, um Schichten mit einer Tiefe von 25 Nanometern wegzuschleifen. Nach dem Entfernen jeder Schicht fertigen Sie ein Bild des freigelegten Oberflächenbereichs mit einem Rasterelektronenmikroskop an. Nach Abschluss des Schleifvorgangs laden Sie die Bilddateien in eine Visualisierungssoftware und erzeugen 3D-Bilder zur Darstellung. Diese 3D-Rekonstruktion bezieht sich auf eine Abschreckprobe, die auf 1.800 Grad Celsius bei sechs Gigapascal erhitzt wurde.

Das hervorgehobene Volumen stellt Eisen und Eisensulfidschmelze dar. Der Rest des Volumens ist mit ine besetzt. Das Volumen beträgt etwa fünf mal sechs mal sieben Kubikmikrometer.

Das Bild zeigt, dass die metallischen Schmelztaschen an den Ecken der Silikatkörner eingeschlossen wurden, aufgrund der großen Diëderwinkel, die hier mit über 100 Grad gemessen wurden. Diese neue Abbildungstechnik stellt ein leistungsfähiges Werkzeug dar, um den tatsächlichen Diëderwinkel präzise zu bestimmen. Durch die Beobachtung der Änderung der Schmelzverteilung über den kritischen Winkel hinweg kann sie verwendet werden, um den Übergang von nicht verbundenen zu verbundenen Netzwerken innerhalb eines kleinen Bereichs von Zusammensetzung und Druck genau zu lokalisieren.

Die Methode liefert zudem eine quantitative Messung des Volumenanteils und der Vernetzung. Diese 3D-Bilder zeigen die abgeschreckte Probe mit unterschiedlichen Metallsilikat-Verhältnissen bei einem Volumenanteil unterhalb von 5 %. Bei höheren Volumenanteilen bildet die flüssige Metallphase isolierte Taschen, und nach ihrer Entwicklung entsteht ein vernetztes Netzwerk.

Diese Technik ebnet den Weg für die Forschung im Bereich Experiment, Petrologie und Planetenwissenschaft, um den Prozess der Kernbildung von Planeten durch experimentelle Simulation in Kombination mit Visualisierungen zu untersuchen.