Laboratorio torres de caída para el experimental Simulación de colisiones de polvo acumuladas en el Sistema Solar temprano

El objetivo general de este procedimiento es simular experimentalmente las colisiones entre agregados de polvo en el sistema solar primitivo y comprender los primeros pasos de la formación de planetas. Esto se logra preparando primero dos agregados de polvo poroso que representan las partículas de polvo en el joven sistema solar. El segundo paso es insertar ambos agregados de polvo en una de las torres de caída del laboratorio, que ha sido condicionada para generar una colisión entre los agregados de polvo en condiciones de microgravedad.

A continuación, se realiza el experimento y las cámaras de alta velocidad registran la colisión entre los dos agregados de polvo. El paso final es el análisis del registro a alta velocidad de la colisión con respecto a la pérdida de energía, la transferencia de masa y la fragmentación de los agregados de polvo. En última instancia, estos resultados se utilizan para desarrollar modelos físicos de las colisiones de agregados de polvo en el sistema solar joven, que son necesarios para el modelado de los primeros pasos de la formación de planetas.

Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la formación de planetas, como el resultado de las colisiones de los bloques de construcción de los planetas. Primero tuvimos la idea de este método cuando buscábamos medios para llevar a cabo un gran número de colisiones a muy baja velocidad entre agregados de polvo frágiles. La principal ventaja de esta técnica de los métodos existentes, como las instalaciones comerciales de microgravedad, es que los experimentos se pueden realizar con mayor frecuencia y son rentables en el laboratorio.

La demostración visual de este método es fundamental, ya que los pasos de preparación de la muestra son difíciles de aprender porque las muestras preparadas son muy frágiles. Para comenzar, calcule la cantidad de material requerido para la forma deseada usando la siguiente ecuación. Tamizar una cantidad suficiente de material a través de una malla C de 0,5 milímetros y llenar la masa calculada en un molde.

A continuación, comprima el material dentro del molde empujando un pistón con la mano hasta que la muestra haya alcanzado los cinco centímetros. Por último, dale la vuelta al molde. Abra la placa base y empuje suavemente la muestra hacia afuera con el pistón.

Para muestras esféricas de partículas superiores, utilice la partícula en un mecanismo de liberación de cuerdas. Para configurar este tipo de liberación, adjunte la partícula que se va a liberar a una cadena. Esto se hace durante la compresión de la muestra utilizando un pistón con un paso para una cuerda.

Mantenga la cuerda en su lugar sujetándola entre el imán del solenoide y la contrapieza de metal sólido para muestras esféricas de partículas inferiores. Utilice el mecanismo de liberación de la trampilla. Comience colocando la partícula en un molde semiesférico.

En el momento apropiado, aplique una corriente eléctrica al imán del solenoide del mecanismo de liberación superior en lo sucesivo. Aplique una corriente eléctrica para girar la trampilla hacia abajo usando un solenoide giratorio cuando examine arreglos más complejos, como grupos de esferas, monte dos mecanismos de liberación de trampilla uno encima del otro. Una vez que se hayan cargado ambos mecanismos de trampilla, aplique una corriente eléctrica para liberar las muestras en los momentos correctos para muestras cilíndricas.

Monte un mecanismo de liberación doble tipo tijera en su lugar. A continuación, coloque suavemente las muestras cilíndricas en las placas de liberación. Como antes, aplique una corriente eléctrica a los imanes de solenoide para liberar las muestras.

Si una muestra se acelera en lugar de simplemente caer libremente, utilice un mecanismo de aceleración de partículas, como una etapa lineal impulsada electromagnéticamente. Cuando pruebe muestras cilíndricas en combinación con la aceleración de partículas, utilice el mecanismo de liberación de la trampilla de doble ala. Coloque la muestra de polvo cilíndrica en la trampilla cerrada.

A continuación, desbloquee la trampilla aplicando una corriente eléctrica al electroimán. Observe cómo las roturas de las corrientes de Foucault evitan que la puerta rebote en la muestra para lograr una colisión a baja velocidad. Velocidades de 0,09 metros por segundo.

Coloque una de las partículas de un centímetro en la partícula en un mecanismo de cuerda y la otra partícula de un centímetro a siete milímetros de distancia en el mecanismo de liberación de la trampilla. A continuación, cierre el tubo de vidrio al vacío. Abra con cuidado la válvula de las bombas de vacío para iniciar la evacuación lenta del aire en el tubo.

A continuación, establezca el retardo de tiempo de los mecanismos de liberación en nueve milisegundos. Esto significa que primero se liberará el agregado de polvo superior y nueve milisegundos más tarde se liberará la partícula inferior, la cámara entre la siguiente conecte las cámaras a sus unidades de liberación y encienda la iluminación. A continuación, inicie la grabación continua.

Cuando se alcance el vacío deseado de más de un milibar, presione el botón de liberación para iniciar la secuencia del temporizador cuando se complete el experimento, descargue las secuencias de imágenes grabadas por las cámaras de alta velocidad a una computadora. Prepare dos muestras cilíndricas de cinco centímetros de diámetro y altura para una colisión a alta velocidad cargando primero una muestra en el mecanismo de liberación de la trampilla de doble ala y la otra en el portamuestras del acelerador de etapa lineal. Una vez que las muestras estén en su lugar, prepare la cámara como antes sellando el tubo de vidrio y abriendo la válvula de vacío para eliminar el aire del tubo.

A continuación, configure la temporización del mecanismo de liberación y del acelerador lineal de acuerdo con las condiciones deseadas. A continuación, encienda la iluminación adecuada y comience a grabar con la cámara de alta velocidad. Una vez que se alcanza el vacío deseado de más de 0,01 milibares, presione el botón de liberación para iniciar la colisión al finalizar.

Descargue las secuencias de imágenes grabadas por las cámaras como antes para agregados de diferentes tamaños. Cargue la muestra grande en un mecanismo de liberación, luego coloque la muestra más pequeña en el soporte de muestras del acelerador. Estas imágenes de microscopía electrónica de las partículas de sílice irregular monodispersas, esféricas y polidispersas ilustran las características físicas de las muestras utilizadas en los experimentos de torre de caída en el laboratorio.

Los agregados de polvo se pueden hacer en varios tamaños y formas de muestra, incluidos cilindros de polvo de un centímetro, dos centímetros y cinco centímetros de diámetro y esferas de polvo de un centímetro y dos centímetros de diámetro. Además, se pueden utilizar grupos de esferas luminosas de dos a tres milímetros de tamaño mediante la reconstrucción por tomografía de rayos X de la estructura interna de una muestra de agregado de polvo cilíndrico. Es claramente visible que esta muestra de alta porosidad se ensambló utilizando agregados de tamaño milimétrico para polvo.

La escala de grises denota el factor de llenado del volumen, la relación entre la densidad de masa de la muestra y la densidad del material de las partículas de polvo de monómero que rebotan Las velocidades de colisión se analizaron mediante el seguimiento de las posiciones de las partículas a lo largo del tiempo para derivar la velocidad después y antes de la colisión. La relación de estos valores se denomina coeficiente de restitución y describe la pérdida de energía en la colisión. Los coeficientes de restitución analizados se trazan en función de las velocidades de colisión.

Los datos de polvo esférico, agregados y colisiones entre agregados de polvo cilíndricos muestran una tendencia a la disminución del coeficiente de restitución con el aumento de la velocidad de impacto una vez dominado. Esta técnica se puede realizar en una hora si se realiza correctamente. Trabajar con partículas del tamaño de un micrómetro puede ser extremadamente peligroso, por lo tanto, siempre se deben tomar precauciones como máscaras protectoras, guantes y campanas extractoras como esta durante el procedimiento.