Labor-Tropfen-Towers für die Experimentelle Simulation von Staub-Aggregat-Kollisionen im frühen Sonnensystem

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, Kollisionen zwischen Staubaggregaten im frühen Sonnensystem experimentell zu simulieren und die ersten Schritte der Planetenentstehung zu verstehen. Dies wird erreicht, indem zunächst zwei poröse Staubaggregate hergestellt werden, die die Staubpartikel im jungen Sonnensystem repräsentieren. Der zweite Schritt besteht darin, beide Staubaggregate in einen der Laborturmdrop-towers einzubringen, der so konditioniert wurde, dass eine Kollision zwischen den Staubaggregaten unter Mikrogravitationsbedingungen stattfindet.

Anschließend wird das Experiment durchgeführt und Hochgeschwindigkeitskameras nehmen die Kollision zwischen den beiden Staubaggregaten auf. Der letzte Schritt ist die Analyse der Hochgeschwindigkeitsaufnahme der Kollision hinsichtlich Energieverlust, Massentransfer und Fragmentierung der Staubaggregate. Letztendlich werden diese Ergebnisse genutzt, um physikalische Modelle der Kollisionen von Staubaggregaten im jungen Sonnensystem zu entwickeln, die für die Modellierung der ersten Schritte der Planetenentstehung erforderlich sind.

Mit dieser Methode lassen sich zentrale Fragen im Bereich der Planetenentstehung beantworten, beispielsweise das Ergebnis von Kollisionen zwischen Bausteinen von Planeten. Die Idee zu dieser Methode entstand, als wir nach Möglichkeiten suchten, eine große Anzahl von Kollisionen mit sehr geringer Geschwindigkeit zwischen zerbrechlichen Staubaggregaten durchzuführen. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie kommerziellen Mikrogravitationsanlagen besteht darin, dass Experimente häufiger durchgeführt werden können und im Labor kosteneffizient sind.

Die visuelle Demonstration dieser Methode ist entscheidend, da die Probenvorbereitungsschritte schwer zu erlernen sind, weil die hergestellten Proben sehr empfindlich sind. Berechnen Sie zunächst die für die gewünschte Form benötigte Materialmenge mithilfe der folgenden Gleichung. Sieben Sie eine ausreichende Menge des Materials durch ein 0,5-Millimeter-Sieb C und füllen Sie die berechnete Masse in eine Form.

Drücken Sie dann das Material in der Form zusammen, indem Sie einen Kolben von Hand so weit hineinschieben, bis die Probe fünf Zentimeter erreicht hat. Drehen Sie abschließend die Form auf den Kopf. Öffnen Sie die Bodenplatte und schieben Sie die Probe vorsichtig mit dem Kolben heraus.

Verwenden Sie für kugelförmige obere Partikelproben den Partikel-Freigabemechanismus mit einer Schnur. Um diese Art der Freigabe einzurichten, befestigen Sie den Partikel an einer Schnur. Dies erfolgt während der Probenkompression unter Verwendung eines Kolbens mit einer Durchführung für die Schnur.

Halten Sie den Faden durch Klemmen zwischen dem Elektromagneten und dem festen metallischen Gegenstück für sphärische untere Partikelproben an Ort und Stelle. Nutzen Sie die Falltür-Auslösemechanik. Beginnen Sie damit, das Partikel in eine halbkugelförmige Form einzulegen.

Zur geeigneten Zeit anschließend einen elektrischen Strom an den Elektromagneten des oberen Freigabemechanismus anlegen. Einen elektrischen Strom anlegen, um die Klappe mithilfe eines Drehsolenoide nach unten zu drehen, wenn komplexere Anordnungen untersucht werden, beispielsweise Kugelhaufen; montieren Sie zwei Klappe-Freigabemechanismen vertikal übereinander. Sobald beide Klappe-Mechanismen beladen sind, einen elektrischen Strom anlegen, um die Proben zu den richtigen Zeitpunkten für zylindrische Proben freizugeben.

Bauen Sie eine Scherenart-Doppelabgabevorrichtung ein. Setzen Sie dann vorsichtig die zylindrischen Proben auf die Abgabeprotzen. Wie zuvor wenden Sie einen elektrischen Strom an die Elektromagnete an, um die Proben freizugeben.

Wenn eine Probe beschleunigt und nicht einfach nur im freien Fall bewegt wird, verwenden Sie einen Partikelbeschleunigungsmechanismus wie eine elektromagnetisch angetriebene lineare Stufe. Verwenden Sie beim Testen zylindrischer Proben in Kombination mit der Partikelbeschleunigung den Doppel-Flügel-Falltür-Freigabemechanismus. Platzieren Sie die zylindrische Staubprobe auf die geschlossene Falltür.

Öffnen Sie dann die Klapptür, indem Sie eine elektrische Strom an den Elektromagneten anlegen. Achten Sie darauf, wie die Wirbelstrombremsen verhindern, dass die Tür in die Probe zurückschnellt, um eine Kollision mit geringer Geschwindigkeit zu erreichen. Geschwindigkeiten von 0,09 Metern pro Sekunde.

Platzieren Sie eines der ein Zentimeter großen Teilchen in der Teilchen-an-einem-Faden-Mechanik und das andere ein Zentimeter große Teilchen sieben Millimeter entfernt in der Falltür-Freigabemechanik. Schließen Sie anschließend das Vakuum-Glasrohr. Öffnen Sie vorsichtig das Ventil zu den Vakuumpumpen, um eine langsame Evakuierung der Luft im Rohr zu beginnen.

Als Nächstes stellen Sie die Zeitverzögerung der Auslösemechanismen auf neun Millisekunden ein. Das bedeutet, dass zuerst das obere Staubaggregat freigegeben wird und neun Millisekunden später das untere Teilchen; die Kamera wird dazwischen freigegeben. Danach befestigen Sie die Kameras an ihren Auslöseeinheiten und schalten die Beleuchtung ein. Starten Sie anschließend die kontinuierliche Aufnahme.

Wenn das gewünschte Vakuum von weniger als einem Millibar erreicht ist, drücken Sie die Freigabetaste, um die Zeitschaltfolge zu starten, sobald das Experiment abgeschlossen ist. Laden Sie danach die von den Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeichneten Bildsequenzen auf einen Computer herunter. Bereiten Sie zwei zylindrische Proben mit einem Durchmesser und einer Höhe von jeweils fünf Zentimetern für eine Hochgeschwindigkeitskollision vor, indem Sie zunächst eine Probe auf den Doppelflügel-Türöffnungsmechanismus und die andere auf den Probenträger des Linearstufen-Beschleunigers laden. Sobald die Proben positioniert sind, bereiten Sie die Kammer wie zuvor beschrieben vor, indem Sie das Glasrohr verschließen und das Vakuumventil öffnen, um die Luft aus dem Rohr zu entfernen.

Danach stellen Sie die Zeitsteuerung des Auslösemechanismus und des Linearbeschleunigers gemäß den gewünschten Bedingungen ein. Schalten Sie anschließend die geeignete Beleuchtung ein und beginnen Sie mit der Aufnahme mittels der Hochgeschwindigkeitskamera. Sobald das gewünschte Vakuum von besser als 0,01 Millibar erreicht ist, drücken Sie die Auslösetaste, um die Kollision nach Abschluss einzuleiten.

Laden Sie die von den Kameras wie zuvor aufgezeichneten Bildsequenzen für Aggregate unterschiedlicher Größe herunter. Bringen Sie die große Probe auf einem Freisetzungsmechanismus an und platzieren Sie anschließend die kleinere Probe auf dem Probenhalter des Beschleunigers. Diese Elektronenmikroskopieaufnahmen der monodispersen sphärischen und polydispersen unregelmäßigen Kieselsäurepartikel veranschaulichen die physikalischen Eigenschaften der in den Experimenten am Laborturmdrop verwendeten Proben.

Staubaggregate können in verschiedenen Probengrößen und -formen hergestellt werden, einschließlich Staubzylindern mit einem Durchmesser von einem, zwei oder fünf Zentimetern sowie Staubkugeln mit einem Durchmesser von einem oder zwei Zentimetern. Zusätzlich können Ansammlungen von zwei bis drei Millimeter großen leuchtenden Kugeln unter Verwendung der Röntgentomographie-Rekonstruktion der inneren Struktur einer zylindrischen Staubaggregatprobe genutzt werden. Deutlich sichtbar ist, dass diese hochporöse Probe aus millimetergroßen bis hin zu Staubaggregaten zusammengesetzt wurde.

Die Grauskala bezeichnet den Volumenfüllfaktor, das Verhältnis der Massendichte der Probe zur Materialdichte der monomeren Staubpartikel. Die Stoßgeschwindigkeiten wurden analysiert, indem die Partikelpositionen über die Zeit verfolgt wurden, um die Geschwindigkeit nach und vor dem Stoß zu bestimmen. Das Verhältnis dieser Werte wird als Restitutionskoeffizient bezeichnet und beschreibt den Energieverlust beim Stoß. Die analysierten Restitutionskoeffizienten werden gegen die Stoßgeschwindigkeiten aufgetragen.

Daten für sphärischen Staub, Aggregate und Kollisionen zwischen zylindrischen Staubaggregaten zeigen einen Trend abnehmender Restitutionskoeffizienten mit zunehmender Aufprallgeschwindigkeit, sobald dies beherrscht ist. Diese Technik kann innerhalb einer Stunde durchgeführt werden, wenn sie ordnungsgemäß ausgeführt wird. Das Arbeiten mit mikrometergroßen Partikeln kann äußerst gefährlich sein; daher sollten stets Vorsichtsmaßnahmen wie Schutzmasken, Handschuhe und Absaughauben wie diese während des Verfahrens getroffen werden.