Simulation der Planeteninnendifferenzierungsprozesse im Labor

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, den Prozess der Differenzierung des Planeteninneren zu simulieren. Dies wird erreicht, indem zunächst Olivensilikat, Eisenpulver und Eisensulfid homogen gemischt werden. Der zweite Schritt besteht darin, das Gemisch in eine Hochdruckzellenbaugruppe zu laden.

Als nächstes wird die Baugruppe auf sechs Gigapascal unter Druck gesetzt und in einem Multi-Amboss-Gerät auf 1.800 Grad Celsius erhitzt. Der letzte Schritt besteht darin, die Probe zu bergen und für die 3D-Bildgebung vorzubereiten. Letztendlich wird das 3D-Bild verwendet, um die Verteilung von Silikon und geschmolzenem Metall zu visualisieren und zu bestimmen, ob das flüssige Metall durch das kristalline Silikon sickern kann, um einen Kern zu bilden.

Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen der Planetenforschung zu beantworten, wie z.B. die Bildung von Planetenkernen durch Perkolationen. Beginnen Sie mit der Vorbereitung von Materialien für die Simulation des Perkolationsprozesses. In der Kernbildung wird etwa ein Gramm einer Mischung aus natürlichem Silikat, Oliven- und metallischem Eisenpulver mit 10 Gew.-% Schwefel in einem Achatmörtel hergestellt.

Unter Ethanol mahlen Sie das Ausgangsmaterial, um gemischtes Pulver für eine Stunde zu finden. Sobald dies erledigt ist, trocknen Sie die Materialien eine Stunde lang bei 100 Grad Celsius, holen Sie das getrocknete Material zurück und beginnen Sie nach dem Abkühlen mit den Vorbereitungen für die Multi-Amboss-Experimente. Laden Sie das Ausgangsmaterial in eine CI-Aluminiumoxid-Kapsel mit einem Durchmesser von etwa 1,5 Millimetern und einer Länge von 1,5 Millimetern.

Platzieren Sie anschließend die Kapsel in einer Hochdruckzellenbaugruppe, die über eine Probenheizung mit elektrischem Widerstand verfügt. Die Zelle ist nun bereit für die Multi-Amboss-Hochdruckapparatur. Montieren Sie die Küvettenbaugruppe in die Apparatur, beaufschlagen Sie die Probe auf den Zieldruck, der hier auf sechs Gigapascal basiert, basierend auf einer Festpunktdruckkalibrierungskurve.

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 aufrecht.

Sobald das Experiment abgeschlossen ist, schrecken Sie die Probe auf Raumtemperatur ab, indem Sie die Heizung ausschalten, und lassen Sie den Druck über sechs Stunden langsam ab, indem Sie das Hydraulikölventil öffnen. Schließlich wird die Hochdruckanordnung wiederhergestellt und bei der Probenanalyse der Probe ein fokussiertes Ionenstrahl-Rasterelektronenmikroskop verwendet. Bereiten Sie die Probe für die Verwendung im Instrument vor, indem Sie sie montieren und polieren und ihre Oberfläche mit Kohlenstoff beschichten.

Laden Sie es dann in die Probenkammer des Geräts. Richten Sie die Probe in einem Arbeitsabstand von fünf Millimetern auf den lagegleichen Punkt des fokussierten Ionenstrahls und des Rasterelektronenmikroskops aus. Die Probe wird so vorbereitet, dass ein Volumen von 15 x 20 x 20 Kubikmikrometern belichtet wird.

Anschließend fräsen Sie mit dem Ionenstrahl weiter Schichten in 25 Nanometern Tiefe. Nachdem jede Schicht entfernt wurde, nehmen Sie ein Rasterelektronenmikroskop-Bild der belichteten Oberfläche auf. Geben Sie nach Abschluss des Fräsens die Bilddatendateien in die Visualisierungssoftware ein und erstellen Sie 3D-Bilder für die Visualisierung. Diese 3D-Rekonstruktion bezieht sich auf eine Quench-Probe, die bei sechs Gigapascal auf 1.800 Grad Celsius erhitzt wurde.

Das hervorgehobene Volumen stellt die Schmelze von Eisen und Eisensulfid dar. Der Rest des Volumens wird von ine belegt. Das Volumen beträgt etwa fünf mal sechs mal sieben Kubikmikrometer.

Das Bild zeigt, dass die metallischen Schmelzetaschen an den Ecken des Silikatkorns eingeschlossen waren, da die großen Dedalwinkel gemessen wurden, die über 100 Grad lagen, wie hier zu sehen. Dieses neue bildgebende Verfahren bietet ein leistungsfähiges Werkzeug, um den wahren Dedalwinkel genau zu bestimmen. Durch die Überwachung der Änderung der Schmelzeverteilung über den kritischen Winkel kann es verwendet werden, um den Übergang von nicht angeschlossenen zu verbundenen Netzwerken in einem kleinen Zusammensetzungs- und Druckintervall zu lokalisieren.

Die Methode bietet auch ein quantitatives Maß für den Volumenanteil und die Konnektivität. Diese 3D-Bilder zeigen die abgeschreckte Probe mit unterschiedlichen Metallsilikatverhältnissen unterhalb eines Volumenanteils von 5 %Das flüssige Metall bildet isolierte Taschen bei höherem Volumen. Fraktionen und Verbundnetze werden nach ihrer Entwicklung gebildet.

Diese Technik ebnet den Weg für die Forschung auf dem Gebiet der Experiment-, Petr- und Planetenwissenschaften, um den Entstehungsprozess des Planetenkerns durch experimentelle Simulation in Kombination mit den Visualisierungen zu erforschen.