Name: Labor-Tropfen-Towers für die Experimentelle Simulation von Staub-Aggregat-Kollisionen im frühen Sonnensystem (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-06-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 44 s
Description: Erfahren Sie die Simulation von Staub-Aggregat-Kollisionen im frühen Sonnensystem mit Labor-Tropfen-Türmen. Diese kostengünstige Methode ermöglicht häufige Experimente zur Untersuchung der Planetenentstehung.

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Die Autoren danken dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der TU Braunschweig für die kontinuierliche Unterstützung unserer Laboraktivitäten. Der Niedergeschwindigkeits-Fallturm wurde mit der DLR-Förderung 50WM0936 errichtet, der Hochgeschwindigkeits-Fallturm wurde mit der DFG-Förderung INST 186/959-1 im Rahmen des SFB 963 "Astrophysikalische Strömungsinstabilitäten und Turbulenzen" entwickelt.

ACHTUNG: Abhängig von der Gefährlichkeit der verwendeten Partikel, die in den entsprechenden Sicherheitsdatenblätter gefunden werden kann, muss Mundschutz und Schutzausrüstung von der Person, die mit dem Staub getragen werden. Es wird auch empfohlen, eine Saug-System nutzen die Umgebungsluft staubfrei zu halten. 1. Vorbereitung cm große Staubsammelproben <ol><li> Berechnen der Menge des benötigten Materials von m = Φ ρ 0 V, wobei m die Masse erforderlich ist Φ das gewünschte Volumen Füllfaktor (Volumenfüllungsfaktor = 1 - Porosität) ist ρ 0 die Materialdichte und V das Volumen der Probe. 77 g unregelmäßigen Silikatstaub (ρ 0 = 2,6 g / cm 3) ist erforderlich, um eine Probe Porosität von 70% (Volumenfüllungsfaktor = 0,3) für eine zylindrische Probe von 5 cm Durchmesser und Höhe zu erreichen sind. Hinweis: Bildung von terrestrischen plaNetze beginnt mit Koagulation von Mikrometer großen Staubkörner - überwiegend aus Silikaten - in cm-Größe porösen Körpern. Eine gut untersuchte und geeignete Laboranalog Material SiO 2, die als unregelmäßig geformte Pulver mit einer Größenverteilung im Bereich von 0,5 bis 10 &amp;mgr; m, sowie in Form von monodispersen kugelförmigen Körner zur besseren Vergleichbarkeit mit theoretischen Modellen zur Verfügung steht (siehe Tabelle 1 und Abbildung 1). </li></ol><table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="569"><tbody><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;width:161px;"> SiO 2-Monomer Korntyp </td><td style="width:96px;"> Hersteller </td><td style="width:119px;"> Partikeldurchmesser </td><td style="width:95px;"> Partikelform </td><td style="width:100px;"> Beispiel Abbildung </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> Monodisperse </td><td> Micromod </td><td> 1,52 ± 0,06 &amp;# 181; m </td><td> Sphärisch </td><td> Figur 1 (links) </td></tr><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;"> Polydisperse </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 0,1 bis 10 &amp;mgr; m </td><td> Unregelmäßig </td><td> Abbildung 1 (rechts) </td></tr></tbody></table> Tabelle 1. Merkmale der SiO 2-Partikel in den Staub-Aggregat-Kollisionsexperimente verwendet. <img alt="Figur 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" width="500" /> Abbildung 1. Elektronenmikroskopische Bilder von monodispersen (links) und polydisperse (rechts) SiO 2-Partikel zur Herstellung von makroskopischen Staubaggregate eingesetzt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <olstart = &quot;2&quot;&gt; <li> Nehmen Sie einen Behälter mit mikrometergroßen SiO 2-Teilchen (siehe Tabelle 1) und gießen Sie seinen Inhalt auf ein Sieb mit einer Maschenweite von 0,5 mm. Sichten eine ausreichende Menge an Material und füllt die berechnete Masse in die Form. Komprimieren des Materials in der Form durch Eindrücken eines Kolbens von Hand, bis die Probenhöhe erreicht ist (zB 5 cm). Drehen Sie sich um die Form auf den Kolben, öffnen Sie die Grundplatte und schieben Sie die Probe aus. Anmerkung: Die Proben können in verschiedenen Formen (sphärisch und zylindrisch), Größe (1 mm bis 10 cm) und Porositäten (60 bis 85%) hergestellt werden (siehe Abbildung 3). Die Proben können dann einzeln in den Kollisionsexperimente oder kombiniert in Cluster, die dann kollidieren mit anderen Aggregaten oder Cluster werden. </li></ol><img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> Abbildung 2. Fotografie von. die Variation der Staubsammelprobe Größen und Formen Die folgenden Beispiele zeigen: Staub Zylinder mit 1 cm, 2 cm und 5 cm Durchmesser (hintere Reihe), Staub-Kugeln mit 1 cm und 2 cm Durchmesser (mittlere Reihe) und 2-3 mm-Größe Al 2 O 3 Kugeln (vorne). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <ol start="3"><li> Charakterisieren Sie die Proben in Bezug auf Porosität und Homogenität. Wenn Proben fallen nicht erlaubt Margen produzieren neue Proben. <ol><li> Um die Porosität der Staubprobe zu bestimmen, zu bestimmen, deren Volumen durch Messung ihrer Abmessungen und ihrer Masse mittels einer Präzisionswaage. </li><li> Verwenden Röntgentomografie (RT) 12, um Informationen auf die Homogenität und die Porengrößenverteilung der hergestellten Probe zu gewinnen. Hinweis: Für die 5-cm-große Staubaggregate, fanden wir Abweichungen von der mittleren Volumen Füllen factor, das Verhältnis der Massendichte der Probe und der Materialdichte der Monomer-Staubpartikeln von nur etwa 1% in der Masse des Volumens der Proben und eine etwas größere Zunahme des Volumens Füllfaktor von bis zu 8% gegenüber den äußeren Begrenzungen 12. 3 zeigt eine XRT Rekonstruktion eines Schnittes durch eine zylindrische Staub Aggregat von 5 cm Durchmesser und 5 cm Höhe. Wir verwenden für jede XRT Staub Aggregat aber untersuchen die innere Struktur und Homogenität der Stichproben. </li></ol></li></ol><img alt="Fig. 3" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> 3. Rekonstruktion der inneren Struktur eines zylindrischen Staubsammelprobe von 5 cm Höhe und 5 cm Durchmesser nach XRT Analyse. Die Grauskala zeigt die Volumenfüllungsfaktor, der das Verhältnis der Massendichte ter probieren und die Materialdichte der Monomer-Staubpartikel. Von der XRT Rekonstruktion, ist es deutlich zu sehen, dass diese hohe Porosität Probe wurde unter Verwendung mm große Staubaggregate montiert. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 2. Prinzip der Fallturm-Setup <ol><li> Freigabemechanismen: Im oberen Teil des Fallturms zwei Freigabemechanismen angebracht sind eine auf die andere. Jeder von ihnen hält eine Probe und gibt sie in den freien Fall. Die Zeitdifferenz zwischen der Freigabe der oberen und unteren Partikel bestimmt die relative Geschwindigkeit des Kollisions. Gemäß der Morphologie und der Form der Teilchen, werden geeignete Freisetzungsmechanismen ausgewählt. Wenn ein Partikelbeschleunigungsmechanismus verwendet wird, wird nur ein Freigabemechanismus erforderlich. <ol><li> Particle-on-a-string Auslösemechanismus (sphärische Proben upper Teilchen): Dieser Auslösemechanismus besteht aus einer linearen Magnetmagneten und einem massiven Metallgegenstück. <ol><li> Befestigen Sie das Teilchen in einen String freigegeben werden. Halten Sie die Zeichenfolge im Ort, durch Klemm es zwischen dem Elektromagneten und dem massiven Metallgegenstück. </li><li> Um die Partikel zu lösen, wenden Sie einen elektrischen Strom an den Elektromagneten (siehe Video 1). </li></ol></li><li> Falltürfreigabemechanismus (sphärische Proben geringere Partikel): Dieser Lösemechanismus besteht aus einem Drehelektromagneten, dem ein Partikelhalterung befestigt ist. <ol><li> Platzieren der Partikel in einer halbkugelförmigen Form, die durch eine Drehmagnetspule nach unten gedreht wird, wenn ein elektrischer Strom angelegt wird (siehe Film 1). </li><li> Dieser Mechanismus kann auch für die Freisetzung von Partikel-Cluster oder Aggregat Klumpen verwendet werden. In diesem letzteren Fall, montieren zwei Falltürfreigabemechanismen übereinander (siehe Video 2). </li></ol&gt; </li><li> Scheren-Doppellösemechanismus (zylindrische Proben): Dieser Freigabemechanismus besteht aus zwei Paaren von Drehmagnetspulen, auf die ein Metallstab befestigt ist. Die beiden Magnetspulen jedes Freigabemechanismus sind so angeordnet, daß die zwei Metallstäbe parallel sind. <ol><li> Positionieren Sie die beiden Proben auf die zwei parallele Stangen jedem. </li><li> Anwenden eines elektrischen Stroms zu den beiden Drehmagneten, um die Teilchen in den freien Fall zu lösen. (Siehe Movie 3). </li></ol></li><li> Doppelflügel-Falltür Auslösemechanismus (zylindrische Proben in Kombination mit Partikelbeschleunigungsmechanismus): Dieses Release Mechanismus besteht aus zwei federbelastete Metallplatten, die zusammen eine v-förmige Kornhalter bilden. Die beiden Metallplatten sind an Ort und Stelle durch eine Metallstange, die mit einem Drehelektromagneten angebracht ist, gehalten. <ol><li> Legen Sie die zylindrischen Staubprobe auf das geschlossene Falltür. </li><li> Schalte die Falltür, indemein elektrischer Strom an den Elektromagneten. Um Prellen-back der Türen zu vermeiden, Wirbelstrombremsen stoppen (siehe Movie 4). Hinweis: Es ist wichtig, dass die Teilchen in den freien Fall ohne Anfangsgeschwindigkeit und Rotation freizugeben. Zu diesem Zweck mehrere Freigabemechanismen entwickelt (2.1.1 - 2.1.4). </li></ol></li></ol></li><li> Teilchenbeschleunigung Mechanismen: Beschleunigt die Partikel entweder durch eine vorgespannte Feder oder durch eine elektromagnetisch angetriebene Linearstufe. Beide Beschleuniger können mit Probenhalter für unterschiedlich geformte Partikel ausgestattet sein. </li> <li> Steuerelektronik: Stellen Sie den Timer und Release-Elektronik auf die entsprechenden Werte, um die gewünschte Kollisionsgeschwindigkeit zu erreichen und die Kamera in einer Mitte-der-Masse-Rahmen zu betreiben. Hinweis: Der Zeitpunkt der Partikelfreisetzung, Teilchenbeschleunigung und Kamera-Freisetzung wird durch eine Reihe von elektronischen Timer, deren Funktionalität in M erklärt geführtovie 5. </li></ol> 3. Durchführung von Experimenten <ol><li> Low-Geschwindigkeit Kollisionen (kleine Fallturm): <ol><li> Laden Sie die Proben in die Scherendoppelauslösemechanismus und in der Nähe Vakuumglasrohr. </li><li> Starten Evakuierung und Timer eingestellt Parameter. </li><li> Bringen Kameras, um ihre magnetischen Wechseleinheiten. Starten kontinuierliche Kameraaufnahme. Hinweis: Aufgrund der hohen Intensität der LED-Hellfeldbeleuchtung kann eine ausreichend kurze Belichtungszeit der Hochgeschwindigkeitskamera gewählt, dass die Partikelbewegung während der Exposition vernachlässigbar ist. Darüber muss der f-stop des Kameraobjektivs hoch genug Werte gesetzt, um die Tiefe des Fokus über den gesamten Durchmesser des Fallturms zu verlängern. </li><li> Wenn die gewünschte Vakuumqualität erreicht ist, schalten Sie Licht, den Startknopf drücken und laden Sie die Bildsequenzen. </li></ol></li><li> Hochgeschwindigkeits-Kollisionen (große Fallturm): <ol><li> Laden Sie die Proben in den Doppel-Siegg Falltürfreigabemechanismus und Beschleuniger und schließen Sie die Vakuumglasrohr. </li><li> Starten Evakuierung und Timer eingestellt Parameter. </li><li> Starten kontinuierliche Kameraaufnahme. Wenn die gewünschte Vakuumqualität erreicht ist, schalten Sie Licht ein und drücken Sie die Starttaste. Laden Sie die Bildsequenzen. Hinweis: Aufgrund der hohen Intensität der LED-Hellfeldbeleuchtung kann eine ausreichend kurze Belichtungszeit der Hochgeschwindigkeitskamera gewählt, dass die Partikelbewegung während der Exposition vernachlässigbar ist. Darüber muss der f-stop des Kameraobjektivs hoch genug Werte gesetzt, um die Tiefe des Fokus über den gesamten Durchmesser des Fallturms zu verlängern. </li></ol></li></ol> 4. Beispiel Experimente <ol><li> Laden Sie die Proben vorsichtig in den entsprechenden Release-Mechanismus. <ol><li> Low-Speed-Kollisionen (Doppelauslösemechanismus, 0,09 m / s): 5 cm vs 5 cm, Prellen. Laden Sie die Proben in zwei Scherenfreigabemechanismen. Zuerreichen Kollisionsgeschwindigkeiten von 0,09 m / sec, legen Sie die Partikel 7 mm auseinander und stellen Sie die Zeitverzögerung der Auslösemechanismen bis 9 ms. Hinweis: An dieser Aufprallgeschwindigkeit, die Staubproben voneinander abprallen nach der Kollision. Die Bildsequenz wird durch eine frei fallende High-Speed-Kamera (siehe Film 6) eingefangen. </li> <li> Hochgeschwindigkeits-Kollisionen (elektromagnetische Beschleuniger; 7,4 m / sec): 2 cm vs 2 cm, Fragmentierung. Laden Sie eine Probe auf die Doppelflügelfalltürfreigabemechanismus; Platzieren der anderen Probe auf dem Probenhalter der linearen Stufe Beschleuniger. Hinweis: Um die Kollisionsgeschwindigkeiten von 7,4 m / s zu erreichen, wird die untere Staub Gesamt sanft beschleunigt nach oben mit 2 g, während gleichzeitig die obere Staub Aggregat fällt. Bei einer relativen Geschwindigkeit von 7,4 m / sec, die Staubproben Fragment (siehe Film 7). </li> <li> High-Speed-Kollision von kleinen Aggregaten auf großen Aggregate: 0,5 cm vs 5 cm, Stoffübertragung. Last the große Probe auf eine Scheren-Auslösemechanismus; Legen Sie die kleinere Probe auf dem Probenhalter der Feder Beschleuniger. Hinweis: Um die für den Stoffaustausch erforderlich Kollisionsgeschwindigkeiten zu erreichen, wird die untere Staub Gesamt sanft beschleunigt nach oben, während gleichzeitig die obere Staub Aggregat fällt. An dieser Relativgeschwindigkeit, die kleiner Probenfragmente und überträgt eine kleine Menge der Masse auf die größere Probe. Da die Kamera fällt entlang der oberen (massiver) Teilchen, die Bilder von der High-Speed-Kamera aufgenommen wurden, geben den Eindruck einer großen Teilchen mehr oder weniger in Ruhe (siehe Movie-8), das ist nicht wahr, wie von außen gesehen der Fallturm. </li></ol></li><li> Schließen Sie die Vakuumglasrohr. </li><li> Das Vakuumventil vorsichtig zu öffnen, um die Pumpen, um langsame Evakuierung starten und die Timer-Parameter auf den erforderlichen Zeitdifferenz für die gewünschte Kollisionsgeschwindigkeit. </li><li> Bringen Kameras, um ihre Freilassung Einheiten (wenn frei fallenden Kameras verwendet werden).Starten kontinuierliche Kameraaufnahme und schalten Sie Beleuchtung. </li><li> Wenn die gewünschte Vakuumqualität erreicht ist, drücken Sie den Auslöser, um den Timer-Sequenz einzuleiten. </li><li> Laden Sie die von den High-Speed-Kameras an einen Computer aufgezeichnet Bildsequenzen. </li></ol> 5. Data Analysis <ol><li> Wählen Sie einen geeigneten Schwellengrauwert zwischen dem Hintergrund und der Objekte Grauwert. Erstellen eines binären Bild auf der Grundlage dieses Schwellenwerts, indem Pixel mit Grauwerten oberhalb der Schwelle zu weiß (Binärwert 1) und Pixel mit niedrigen Grauwerten zu schwarz (Binärwert 0). </li><li> Bestimmen Sie die Position der Partikel Mitte der Masse in jedem der Bilder. Eine gute Annäherung an die Mitte der Masse für symmetrische Teilchen zu bestimmen, ist die Mitte der projizierten Fläche. Dieses wird von binarisierten Bilder berechnet. </li><li> Verwenden Sie die relative Position der Objekte Zentren der Masse und die Zeitinformationen aus den Kamerabildern zur Berechnung derRelativgeschwindigkeit (siehe Film 9). Die Hänge des Positionskurve auf der rechten Seite des Film-9 gezeigt. <ol><li> Im Falle einer Kollision Prall, die relativen Geschwindigkeiten vor und nach dem Kontakt. Berechnen der Restitutionskoeffizient, dh das Verhältnis der Geschwindigkeit nach dem Stoß und vor. Zeichnen Sie die Relativgeschwindigkeit gegen den Restitutionskoeffizienten. Ein Beispiel dieser Analyse ist in Fig. 4 gezeigt. </li></ol></li></ol><img alt="Fig. 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" width="500" /> 4. Beispiel der Analyse Prellen Kollisionen. Der Restitutionskoeffizient, dh das Verhältnis der Rückprallgeschwindigkeit und die Aufprallgeschwindigkeit wird in Abhängigkeit von der Aufprallgeschwindigkeit aufgetragen. Kreise zeigen Daten für kugelförmige Aggregate von Staub 2 cm Durchter 13 (siehe Abbildung 2), Dreiecke bezeichnen Kollisionen zwischen zylindrischen Staubaggregate von 5 cm Durchmesser und 5 cm Höhe (siehe Abbildung 2) und zwei verschiedenen Volumenfüllung Faktoren von 0,3 bzw. 0,4 12. Die Daten zeigen einen Trend der abnehmenden Restitutionskoeffizient mit zunehmender Schlaggeschwindigkeit. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <ol start="2"><li> Wenn eine oder beide Partikel Fragment, bestimmen die Größen der so viele der größten Fragmente wie möglich durch Messung ihrer jeweiligen projizierten Flächen und bei entsprechender Formen. <ol><li> Wenn Fragmentierung nur ein Partikel auftritt, überträgt es in der Regel eine gewisse Menge seiner Masse zu der überlebenden Teilchen. Bestimmen Sie die Menge der übertragenen Masse durch Messung der Volumen akkretierten, vorausgesetzt, eine geeignete Form und Porosität, die Masse-transfe quantifizierenr Effizienz. </li></ol></li></ol>

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</ol>

Wir haben nichts offenzulegen.

Aufgrund der hohen mechanischen Präzision, ist die Ausfallrate der beiden Falltürmen extrem niedrig. Dies ist von größter Bedeutung, denn die Probenvorbereitung kann bis zu mehreren Stunden dauern, je nach Größe, Form und Porosität der gewünschten Staub-Aggregate. Es sollte erwähnt werden, daß große Staub Aggregate mit sehr hoher Porosität sind äußerst empfindlich, und somit schwierig zu handhaben. Es kann vorkommen, dass diese Staubaggregate bei der Extraktion aus der Form oder Transfer zum Fallturm brechen. In diesen Fällen muss eine neue Probe hergestellt werden. Somit ist es wichtig, dass die kleinen Tropfen Turm ermöglicht eine zuverlässige (und vorhersehbaren) Kollisionsgeschwindigkeiten bis zu 0,01 m / s 11,13. Die niedrigste Aufprallgeschwindigkeit bisher erreicht war 0,004 m / sec. Diese kleinen Aufprallgeschwindigkeiten kann nur für freie Teilchen im Mikrogravitation erreicht werden. Das Labor Fallturm ist eine preiswerte und vielseitige Realisierung einer solchen Anlage Schwerelosigkeit. Alternative Methoden zu erreichen niedrigen Aufprallgeschwindigkeiten nutzen Schwebetechniken 14,15 (zB durch elektromagnetische oder aerodynamische Levitation), aber in der Regel induzieren eine Kraft zwischen den kollidierenden Teilchen, die in der Analyse der Kollisionen berücksichtigt werden muss. Darüber hinaus Schwebe oft induziert Drehbewegung 14, die, wenn sie unerwünscht, nicht rotationsfreie Kollisionen ermöglichen, aber auf der anderen Seite könnte sogar erlauben realistische Simulation von Kollisionen zwischen rotierenden Teilchen. Bei der aerodynamischen Levitation, können Luftkissen Effekte während der Kollision unerwünschten Bedingungen, die nicht mit denen in protoplanetaren Scheiben zu induzieren. Allerdings ermöglicht Schwebe für unbegrenzte Beobachtungszeit und wiederholbare Experimente, so dass es als eine Alternative zu den Fallturm wird, wenn die Zeitbegrenzung notwendig. Alle unsere Bemühungen haben bisher auf SiO 2 als Vertreter der Silikate in der terrestrischen Planeten r Bildung konzentriertegion der jungen Solar Systems. Da die meisten der Masse des protoScheiben über den Kondensationspunkt von Wassereis konzentriert, ist es notwendig, auch das Kollisionsverhalten von Aggregaten, bestehend aus mikrometergroßen H 2 O-Eiskörner studieren. Wir sind derzeit ein Kryo-Vakuum-Fallturm für diesen Zweck. Es ist zu beachten, dass die Temperaturen in solchen Simulationsexperimenten muss unterhalb ~ 150 K, die die Temperatur des sogenannten &quot;Schnee line&quot; in protoPlatten (die &quot;snow line&quot; teilt den inneren Bereichen, in denen Wasser in der Dampf sein Phase aus den äußeren Regionen, wo es als Wasser festes Eis gefunden). Wir haben gezeigt, dass die Bildung von mikrometergroßen Wasser-Eis-Teilchen möglich ist, und dass Aggregate davon 16 hergestellt werden, so dass wir optimistisch sind, um erste Ergebnisse auf ihre Kollisionsverhalten in den nächsten 1-2 Jahren.

Es ist allgemein anerkannt, dass die Planetenbildung beginnt mit dem nicht-Gravitations Anhäufung von mikroskopisch kleinen Staubkörner zu größeren Staubaggregate (siehe die Übersicht von Blum &amp; Wurm) ein. Die Staubpartikel kollidieren innerhalb ihrer protoplanetaren Scheiben aufgrund der Brownschen Bewegung, relative Drift Bewegungen und Turbulenzen der Nebelgas (siehe die Übersicht von Johansen et al.) 2. Wenn die Kollisionsgeschwindigkeiten ausreichend niedrig sind, bleiben die Staubpartikel zu größeren Agglomerate bilden. Eine Fülle von Labormessungen der letzten Jahre haben zu einer Staub-Aggregat-Kollisionsmodell, die das Ergebnis eines Paares von Staub Aggregate mit beliebigen Massen und Kollisionsgeschwindigkeiten prognostiziert 3 geführt. Die grundlegenden Ergebnisse sind Kollisions kleben (in der Regel für kleine Aggregat Massen und geringe Kollisionsgeschwindigkeiten), Prellen und Fragmentierung (für hohe Aufprallgeschwindigkeiten). Die Übergänge zwischen diesen Phasen jedoch nicht scharf und es gibt andereErgebnisse, wie, z. B. Massentransfer oder Erosion. Die Anwendung dieses Modells zu einem typischen protoplanetaren Scheibe prognostiziert das Wachstum cm große Staubaggregate innerhalb von ein paar tausend Jahre 4. Die Anwesenheit cm große Staubaggregate wurde ausgiebig durch astronomische Beobachtungen in den letzten Jahren untersucht und können nun betrachtet werden, wie festgelegt (siehe die Übersicht von Testi et al.) 5, so dass wir schließen, dass das Prinzip Mechanismus, mit dem die ersten makroskopischer Körper bei jungen Planetensystemen Form identifiziert wurde. Allerdings ist das weitere Wachstum zu Leichen von mindestens km Größen nicht so klar. Für den terrestrischen Planeten-Region werden zwei Hypothesen derzeit diskutiert (siehe auch die jüngsten Bewertungen zu dieser Frage von Johansen et al 2 und 5 Testi et al.).: (I) Konzentration der cm-große Staub Aggregate, wie zB die Streaming Instabilität 6 und anschließende Gravitationale Zusammenbruch 7,8 und (ii) das Wachstum von ein paar &quot;Gewinner&quot; zu größeren Größen mit anschließender Masse-Zuwachs durch den Massentransfer-Verfahren 9,10,11. In beiden Modellen cm große Staubaggregate unterziehen eine enorme Anzahl von gegenseitigen Kollisionen bei niedrigen bis moderaten Geschwindigkeiten. Es ist unklar, was die möglichen Ergebnisse dieser Kollisionen (neben Prellen) sind. Um die Staub-Aggregat-Kollisionsmodell von Güttler et al. 3 zu verbessern und näher die Kollisionen zwischen makroskopischen Staub Aggregate in den relevanten Geschwindigkeitsregelungen zu untersuchen, haben wir zwei Falltürmen in unserem Labor, in dem einzelne Aggregat-Aggregat-Kollisionen können im Detail unter Vakuum und Schwerelosigkeit untersucht werden. Beide Falltürmen besitzen eine Freifallhöhe von 1,5 m, die die Beobachtungszeit auf ~ 0,5 s begrenzt. So beobachten wir die Kollisionen von Hochgeschwindigkeitskameras mit Megapixel-Format und bis zu 7.500 Bildern pro Sekunde.Für maximalen Kontrast und eine hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeiten, ist Hellfeldbeleuchtung gewählt. Beleuchtung wird somit von hoher Intensität LED-Panels zur Verfügung gestellt und durch Streuscheiben homogenisiert. So sehen die High-Speed-Kameras die kollidierenden Staubaggregate als dunkle Objekte vor einem beleuchteten Bildschirm. Um Flimmern zu vermeiden, sind die LEDs DC versorgt. Um eine geringe Kollisionsgeschwindigkeiten erreichen, werden die zwei Staubaggregate übereinander in einem Doppelauslösemechanismus gelegt. Loslassen der oberen Aggregat eine Zeit t vor den unteren zu einer relativen Geschwindigkeit von v = gt, mit g = 9,81 m / s 2 die Erdbeschleunigung der Erde. Die beiden High-Speed-Kameras, die die Kollision von zwei Richtungen um 90 ° versetzt zu sehen, sind in der Regel zwischen den beiden Aggregaten Staub freigesetzt (typischerweise t / 2, nachdem der obere Teilchen). Die Kameras in kontinuierlichen Aufzeichnungsmodus, der durch die Wirkung der Kamera beendet ausgeführtHalter in Sand Eimer. Die maximale Bildrate in diesem Betriebsmodus beträgt 1.000 Bilder pro Sekunde bei Megapixel-Auflösung. Mit diesem Setup Geschwindigkeiten bis unter 0,01 m / s erreicht wurden. Wegen der Beschränkungen des mechanischen Aufbaus der Doppelauslösemechanismus ist die maximale relative Aufprallgeschwindigkeit ca. 3 m / sec. Kollisionen mit Staub-Aggregate mit bis zu 5 cm groß sind in diesem Fallturm untersucht. Bei höheren Kollisionsgeschwindigkeiten bis zu ~ 10 m / sec, einem zweiten Fallturm verwendet, der mit einem elektromagnetischen Beschleuniger, der in der Lage ist, sanft zu beschleunigen Staubkorn bis zu 5 m / sec in einer vertikalen Aufwärtsrichtung versehen ist. Die andere Staub Aggregat wird durch eine Doppelflügelfalltürfreigabemechanismus gehalten und kann rotationsfrei in den freien Fall zu einem bestimmten Zeitpunkt veröffentlicht werden. Hier ist es nicht sinnvoll, frei fallende Kameras verwenden. Wir verwenden statt zwei stationären High-Speed-Kameras mit bis zu 7.500 Bildern pro Sekunde und Megapixel-Auflösung. Aufgrund der größeren diameter dieser Fallturm, aggregiert Staub bis zu (und möglicherweise oben) in der Größe 10 cm verwendet werden.

<table><tbody><tr><td>Monodisperse SiO2 Partikel</td><td>Micromod</td><td>43-00-153</td><td>Partikeldurchmesser 1,52 &plusmn; 0,06 &micro; m; Partikelform kugelförmig</td></tr><tr><td>Polydisperse SiO2 Partikel</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5631</td><td>Partikeldurchmesser 0,1 &ndash; 10 & micro; m; Partikelform unregelmäßig</td></tr></tbody></table>

labor-tropfen-towers für die experimentelle simulation von staub-aggregat-kollisionen im frühen sonnensystem

Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System

Für die Zwecke der Untersuchung der Evolution von Staub Aggregate im frühen Sonnensystem, entwickelten wir zwei Vakuumfalltürmen, in denen fragile Staub Aggregate mit Größen bis zu ~ 10 cm und Porositäten bis zu 70% können kollidierte werden. Einer der Türme Rückgang ist vor allem für sehr niedrigen Aufprallgeschwindigkeiten bis unter 0,01 m / sec eingesetzt und macht Gebrauch von einem Doppelauslösemechanismus. Kollisionen werden in Stereo-View durch zwei High-Speed-Kameras, die entlang der Glasvakuumröhre in der Mitte-der-Masse-Rahmen der beiden Aggregate Staub fallen aufgezeichnet. Die andere Freefall-Turm verwendet ein elektro Beschleuniger, der in der Lage ist sanft beschleunigt Staub Aggregate bis zu 5 m / sec ist. In Verbindung mit der Veröffentlichung von anderen Staub Aggregat freien Fall beschleunigt Kollision bis zu ~ 10 m / s erreicht werden kann. Hier zwei feste Hochgeschwindigkeitskameras erfassen die Kollisionsereignisse. In beiden Falltürmen, sind die Staub-Aggregate im freien Fall während der Kollision, so dass sie schwerelos und passen dieBedingungen im frühen Sonnensystem.

Mit Hilfe der im Protokoll beschriebenen gut charakterisierten Staubsammelproben (siehe Abbildungen 1-3), wird jede in einem der Türme Laborabfall beobachtet Kollision wissenschaftlich wertvolle Informationen über die Ergebnisse von ähnlichen Kollisionen in protoplanetaren Scheiben zu erhalten. Wir haben bisher systematisch untersucht, die Ergebnisse der Kollisions 2 cm große sphärische Aggregate Staub (mit Lautstärke Füllfaktoren von 0,5) im Geschwindigkeitsbereich zwischen 0,008 und 2,02 m / sec 13 und von 5 cm großen zylindrischen Staubaggregate (mit Lautstärkefaktoren zwischen Füllung 0,3 und 0,5) im Geschwindigkeitsbereich zwischen 0,004 und 2 m / sec 12. Wir fanden zwischen den springenden Staubaggregate als der dominierenden Ergebnis für Geschwindigkeiten unterhalb von ~ 0,4 m / s für beide Arten von Staub Aggregate (siehe Film 6 für ein Beispiel). In Fig. 4 ist der Restitutionskoeffizient dieser Prellen Kollisionen dargestellt. Die Kreise bezeichnen die Experimente 2cm großen kugelförmigen Proben 13 und die Dreiecke repräsentieren Ergebnisse von Kollisionen zwischen 5 cm große Staub-Zylinder mit zwei unterschiedlichen Packungsdichten 12. Obwohl die Restitutionskoeffizienten der einzelnen Versuche streuen breit, der durchschnittliche Wert der Restitutionskoeffizient mit zunehmender Kollisionsgeschwindigkeit abnimmt. Beide Aggregate in der Regel Staub fragmentieren beim Aufprall für Geschwindigkeiten oberhalb von ~ 1 m / s (siehe Film 7 für ein Beispiel). Für Geschwindigkeiten zwischen ~ 0,4 und ~ 1 m / sec, kann die Fragmentierung von nur einem der zwei kollidierenden Staub-Aggregate auftreten. In diesem Fall gewinnt der Nicht-Fragmentierungs-Staub Aggregat ein paar Prozent der Masse durch Massentransfer 13. Die oben genannten Geschwindigkeitsgrenzen sind nicht scharf, sondern bezeichnen ungefähr dort, wo die Grenzen zwischen den verschiedenen Regelungen liegen 2,11. Für Kollisionen zwischen Staubaggregate in verschiedenen Größen und moderate Geschwindigkeiten, werden Auswirkungen in der Regel nicht führen t<html> o die Fragmentierung des größeren der beiden Staubaggregate. Auf der gegenüberliegenden, die größere Körper erhöhen ihre Masse durch Übertragung eines Teils der Masse der kleineren Schlag (siehe Film 8). Für die Fälle, in denen die beiden Aggregate Staub prallen aufeinander, die Übertragung von der Translationsenergie vor der Kollision (nichts, dass die Staubaggregate nicht vor der Kollision zu drehen) in Translationsenergie, kinetische Rotationsenergie und andere ( dissipative) Energiekanäle (zB Verdichtung der Staubaggregate) bestimmt werden. Wir fanden, daß für die zentrale Kollisionen (in dem die Rotationsenergie vernachlässigt werden kann) die relative Menge der dissipierten Energie stark mit zunehmender Geschwindigkeit zunimmt und höher für niedrigere Volumen Füllfaktoren der Staubaggregate 12. Dieses Verhalten kann durch Molekulardynamik-Simulationen 12 modelliert werden. TTPs :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Film ein. High-Speed-Film (in Zeitlupe gespielt) der Teilchen-on-a-string ( oben) und Falltürfreigabemechanismus (unten). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mold_cluster_cluster.MP4" target="_blank">Movie 2</a> . High-Speed-Film (in Zeitlupe gespielt) der Doppelfalltür Auslösemechanismus. Beide Proben sind Klumpen von Al 2 O 3-Partikel von 2 mm Durchmesser, die im freien Fall beschränkt bleiben aufgrund der extrem geringen Störung während der Freigabe. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/scissor.MP4" target="_blank">Movie 3</a> . High-Speed-Film (in Zeitlupe gespielt) der Scherendoppelauslösemechanismus. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/dw-trapdoor.MP4" target="_blank">Film</a>4. High-Speed-Film (in Zeitlupe gespielt) der Doppelflügel-Falltürfreigabemechanismus. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/trigger.wmv" target="_blank">Movie-5</a> . Animation der Timer Schaltelektronik die obere und untere Auslösemechanismus sowie die Kameraauslöse freien Fall. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/9ms_2.MP4" target="_blank">Movie-6</a> . High-Speed-Film (in Zeitlupe gespielt) eines springenden Kollision zwischen zwei 5 cm große Staub-Aggregat-Zylindern. Die beiden Aggregate Staub werden durch die Scherendoppellösemechanismus gelöst und kollidieren mit 0,09 m / s Geschwindigkeit. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/fragmentation.MP4" target="_blank">Movie-7</a> . High-Speed-Film (in Zeitlupe gespielt) von zwei 2 cm-Größe zylindrischen Staubaggregate colliding mit einer relativen Geschwindigkeit von 7,4 m / sec. Beide Aggregate fragmentieren vollständig. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mass-transfer.MP4" target="_blank">Film 8</a> . High-Speed-Film (in Zeitlupe gespielt) einer 5 mm große Staub Aggregat Auswirkungen auf eine 5 cm großen zylindrischen Festkörper-Target. Da die Aufprallgeschwindigkeit von 4,3 m / sec über der Fragmentierungsgeschwindigkeit der kleine Staubzuschlagstoff, bricht diese auseinander und überträgt einen Teil seiner Masse zum Ziel, das im Film deutlich sichtbar ist. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/tracking_new.mov" target="_blank">Film 9</a> . Bestimmung der Partikelbahnen durch eine halbautomatische Partikelverfolgungsalgorithmus. Hier wird die Kollision zwischen zwei 2 cm große sphärische Aggregate Staub dargestellt.

Wir präsentieren eine Technik, um mit geringer Geschwindigkeit bis mittlere Geschwindigkeit Kollisionen zwischen zerbrechlichen Staubaggregate im Labor zu erreichen. Zu diesem Zweck wurden zwei Vakuum-Drop-Tower-Setups entwickelt, die erlauben Kollisionsgeschwindigkeiten zwischen &lt;0,01 und ~ 10 m / sec. Die Kollisionsereignisse werden durch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen aufgezeichnet.

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

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust ...

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.

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Research

Forschung

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Engineering

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

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