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

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, Kollisionen zwischen Staubaggregaten im frühen Sonnensystem experimentell zu simulieren und die ersten Schritte der Planetenentstehung zu verstehen. Dazu werden zunächst zwei poröse Staubaggregate präpariert, die die Staubteilchen im jungen Sonnensystem repräsentieren. Der zweite Schritt besteht darin, beide Staubaggregate in einen der Falltürme des Labors einzubringen, der so konditioniert wurde, dass er unter Schwerelosigkeit eine Kollision zwischen den Staubaggregaten erzeugt.

Als nächstes wird das Experiment durchgeführt und Hochgeschwindigkeitskameras zeichnen die Kollision zwischen den beiden Staubaggregaten auf. Der letzte Schritt ist die Analyse der Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung der Kollision in Bezug auf Energieverlust, Stofftransport 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 benötigt werden.

Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen auf dem Gebiet der Planetenentstehung zu beantworten, wie z.B. das Ergebnis von Kollisionen der Bausteine von Planeten. Die Idee zu dieser Methode hatten wir erstmals, als wir nach Mitteln suchten, um eine große Anzahl von Kollisionen mit sehr geringer Geschwindigkeit zwischen fragilen 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.

visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da die Schritte zur Probenvorbereitung schwer zu erlernen sind, da diese vorbereiteten Proben sehr zerbrechlich sind. Berechnen Sie zunächst die Materialmenge, die für die gewünschte Form erforderlich ist, mithilfe der folgenden Gleichung. Sieben Sie eine ausreichende Menge Material durch ein 0,5 Millimeter Maschenweite C und füllen Sie die berechnete Masse in eine Form.

Dann komprimieren Sie das Material in der Form, indem Sie einen Kolben von Hand drücken, bis die Probe fünf Zentimeter erreicht hat. Zum Schluss drehst du die Form auf den Kopf. Öffnen Sie die Grundplatte und drücken Sie die Probe vorsichtig mit dem Kolben heraus.

Für sphärische Proben mit oberen Partikeln verwenden Sie das Partikel an einem String-Release-Mechanismus. Um diese Art der Freisetzung einzurichten, befestigen Sie das freizusetzende Teilchen an einer Schnur. Dies geschieht während der Probenkompression mit einem Kolben mit einem Durchgang für eine Saite.

Halten Sie die Schnur an Ort und Stelle, indem Sie sie zwischen dem Magnetmagneten und dem Gegenstück aus massivem Metall für kugelförmige untere Partikelproben klemmen. Verwenden Sie den Entriegelungsmechanismus der Falltür. Beginnen Sie damit, das Partikel in eine halbkugelförmige Form zu geben.

Zu gegebener Zeit wird anschließend ein elektrischer Strom an den Magnetmagneten des oberen Auslösemechanismus angelegt. Anlegen eines elektrischen Stroms, um die Falltür mit Hilfe eines Drehmagneten nach unten zu drehen, wenn komplexere Anordnungen untersucht werden, wie z. B. Kugelcluster, und zwei Falltür-Entriegelungsmechanismen übereinander montieren. Sobald beide Falltürmechanismen geladen sind, legen Sie einen elektrischen Strom an, um die Proben zum richtigen Zeitpunkt für zylindrische Proben freizugeben.

Montieren Sie einen Doppelentriegelungsmechanismus vom Typ Schere. Legen Sie dann die zylindrischen Proben vorsichtig auf die Trennplatten. Wenden Sie wie zuvor einen elektrischen Strom an die Magnetmagnete an, um die Proben freizugeben.

Wenn eine Probe beschleunigt wird, anstatt einfach nur im freien Fall zu fallen, verwenden Sie einen Teilchenbeschleunigungsmechanismus, wie z. B. einen elektromagnetisch angetriebenen Lineartisch. Bei der Prüfung von zylindrischen Proben in Kombination mit Partikelbeschleunigung ist der Entriegelungsmechanismus der Doppelflügel-Falltür zu verwenden. Legen Sie die zylindrische Staubprobe auf die geschlossene Falltür.

Entriegeln Sie dann die Falltür, indem Sie einen elektrischen Strom an den Magneten anlegen. Beachten Sie, wie die Wirbelstromunterbrechungen verhindern, dass die Tür in die Probe zurückprallt, um eine Kollision mit niedriger Geschwindigkeit zu erreichen. Geschwindigkeiten von 0,09 Metern pro Sekunde.

Lege eines der einen Zentimeter großen Teilchen in das Teilchen auf einem Fadenmechanismus und das andere ein Zentimeter große Teilchen sieben Millimeter entfernt in den Entriegelungsmechanismus der Falltür. Schließen Sie dann das Vakuumglasrohr. Öffnen Sie vorsichtig das Ventil zu den Vakuumpumpen, um die langsame Evakuierung der Luft im Rohr zu starten.

Legen Sie als Nächstes die Zeitverzögerung der Freigabemechanismen auf neun Millisekunden fest. Das bedeutet, dass zuerst das obere Staubaggregat und neun Millisekunden später das untere Partikel freigesetzt wird, dazwischen die Kamera freigesetzt wird, dann die Kameras an ihre Auslöseeinheiten anbringen und die Beleuchtung einschalten. Starten Sie dann die kontinuierliche Aufnahme.

Wenn das gewünschte Vakuum von mehr als einem Millibar erreicht ist, drücken Sie die Entriegelungstaste, um die Timer-Sequenz zu starten. Nach Beendigung des Experiments laden Sie die von den Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeichneten Bildsequenzen auf einen Computer herunter. Bereiten Sie zwei zylindrische Proben mit einem Durchmesser und einer Höhe von fünf Zentimetern für eine Hochgeschwindigkeitskollision vor, indem Sie zuerst eine Probe auf den Entriegelungsmechanismus der Doppelflügel-Falltür und die andere auf den Probenhalter des Lineartischbeschleunigers laden. Sobald die Proben an Ort und Stelle sind, bereiten Sie die Kammer wie zuvor vor, indem Sie das Glasröhrchen verschließen und das Vakuumventil öffnen, um Luft aus dem Röhrchen zu entfernen.

Stellen Sie dann das Timing des Auslösemechanismus und des Linearbeschleunigers entsprechend den gewünschten Bedingungen ein. Schalten Sie anschließend die entsprechende Beleuchtung ein und starten Sie die Aufnahme mit der Hochgeschwindigkeitskamera. Sobald das gewünschte Vakuum von besser als 0,01 Millibar erreicht ist, drücken Sie die Entriegelungstaste, um die Kollision nach Abschluss auszulösen.

Laden Sie die von den Kameras aufgezeichneten Bildsequenzen wie bisher für Aggregate unterschiedlicher Größe herunter. Laden Sie die große Probe auf einen Auslösemechanismus und legen Sie dann die kleinere Probe auf den Probenhalter des Beschleunigers. Diese elektronenmikroskopischen Aufnahmen der monodispersen sphärischen und polydispersen unregelmäßigen Siliziumdioxidpartikel veranschaulichen die physikalischen Eigenschaften von Proben, die in den Fallturmexperimenten im Labor verwendet werden.

Staubaggregate können in verschiedenen Probengrößen und -formen hergestellt werden, einschließlich Staubzylindern mit einem Zentimeter-, Zwei- und Fünf-Zentimeter-Durchmesser und Staubkugeln mit einem Zentimeter und zwei Zentimetern Durchmessern. Darüber hinaus können Cluster von zwei bis drei Millimeter großen Leuchtkugeln mit Hilfe der Röntgentomographie verwendet werden, um die innere Struktur einer zylindrischen Staubaggregatprobe zu rekonstruieren. Es ist deutlich zu erkennen, dass diese Probe mit hoher Porosität mit Hilfe von millimetergroßen Staubaggregaten zusammengesetzt wurde.

Die Grauskala bezeichnet den Volumenfüllfaktor, das Verhältnis der Massendichte der Probe und der Materialdichte der Monomerstaubpartikel, die Kollisionsgeschwindigkeiten wurden analysiert, indem die Partikelpositionen im Laufe der Zeit verfolgt wurden, um die Geschwindigkeit nach und vor der Kollision abzuleiten. Das Verhältnis dieser Werte wird als Restitutionskoeffizient bezeichnet und beschreibt den Energieverlust bei der Kollision. Die analysierten Restitutionskoeffizienten werden gegen die Kollisionsgeschwindigkeiten aufgetragen.

Die Daten für sphärischen Staub, Aggregate und Kollisionen zwischen zylindrischen Staubaggregaten zeigen einen Trend zu einem abnehmenden Restitutionskoeffizienten mit zunehmender Aufprallgeschwindigkeit. Diese Technik kann in einer Stunde durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Das Arbeiten mit mikrometergroßen Partikeln kann extrem gefährlich sein, daher sollten während des Eingriffs immer Vorsichtsmaßnahmen wie Schutzmasken, Handschuhe und Dunstabzugshauben wie diese getroffen werden.