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 colisiones entre agregados de polvo en el sistema solar temprano y comprender los primeros pasos de la formación planetaria. Esto se logra primero preparando dos agregados de polvo porosos que representan las partículas de polvo en el sistema solar joven. El segundo paso consiste en insertar ambos agregados de polvo en una de las torres de caída del laboratorio, que ha sido acondicionada para generar una colisión entre los agregados de polvo bajo condiciones de microgravedad.

A continuación, se realiza el experimento y cámaras de alta velocidad registran la colisión entre los dos agregados de polvo. El paso final es el análisis de la grabación de 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 entre agregados de polvo en el sistema solar joven, necesarios para la modelización de los primeros pasos de la formación planetaria.

Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la formación planetaria, como el resultado de las colisiones entre los bloques de construcción de los planetas. Tuvimos la idea de este método cuando buscábamos medios para realizar un gran número de colisiones a velocidades muy bajas entre agregados de polvo frágiles. La principal ventaja de esta técnica frente a métodos existentes como las instalaciones comerciales de microgravedad es que los experimentos pueden realizarse con mayor frecuencia y son económicamente eficientes 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 necesaria para la forma deseada utilizando la siguiente ecuación. Tamice una cantidad suficiente de material a través de una malla de 0,5 milímetros C, y llene la masa calculada en un molde.

Luego, comprima el material dentro del molde presionando un pistón manualmente hasta que la muestra alcance cinco centímetros. Finalmente, invierta el molde. Abra la placa base y empuje suavemente la muestra hacia afuera con el pistón.

Para muestras esféricas de partículas superiores, utilice el mecanismo de liberación de partículas con hilo. Para configurar este tipo de liberación, sujete la partícula que se va a liberar a un hilo. Esto se realiza durante la compresión de la muestra utilizando un pistón con un orificio para el hilo.

Sujete la cuerda en su lugar sujetándola entre el electroimán y la pieza metálica sólida contraria 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 adecuado, aplique una corriente eléctrica al electroimán del mecanismo de liberación superior a partir de ahora. Aplique una corriente eléctrica para girar la puerta trampa hacia abajo mediante un solenoide rotacional al examinar arreglos más complejos, como agrupaciones de esferas; monte dos mecanismos de liberación con puerta trampa uno encima del otro. Una vez que ambos mecanismos de puerta trampa hayan sido cargados, aplique una corriente eléctrica para liberar las muestras en los momentos adecuados en el caso de muestras cilíndricas.

Coloque un mecanismo de liberación doble de tipo tijera en su posición. Luego, coloque suavemente las muestras cilíndricas sobre las placas de liberación. Como antes, aplique una corriente eléctrica a los imanes solenoides para liberar las muestras.

Si una muestra va a ser acelerada en lugar de simplemente caer libremente, utilice un mecanismo de aceleración de partículas, como una plataforma lineal accionada electromagnéticamente. Al probar muestras cilíndricas en combinación con la aceleración de partículas, utilice el mecanismo de liberación de puerta trampa de doble aleta. Coloque la muestra cilíndrica de polvo sobre la puerta trampa cerrada.

Luego desbloquee la puerta trampa aplicando una corriente eléctrica al electroimán. Observe cómo los frenos de corriente parásita evitan que la puerta retroceda hacia la muestra, logrando una colisión a baja velocidad. Velocidades de 0,09 metros por segundo.

Coloque una de las partículas de un centímetro en el mecanismo de partícula en un hilo y la otra partícula de un centímetro a siete milímetros de distancia en el mecanismo de liberación con trampa. Luego cierre el tubo de vidrio al vacío. Abra cuidadosamente la válvula hacia las bombas de vacío para comenzar la evacuación lenta del aire dentro del tubo.

A continuación, ajuste el retardo temporal de los mecanismos de liberación a nueve milisegundos. Esto significa que primero se liberará el agregado de polvo superior y nueve milisegundos después, la partícula inferior; la cámara se liberará entre ambos. A continuación, fije las cámaras a sus unidades de liberación y encienda la iluminación. Luego, inicie la grabación continua.

Cuando se alcance el vacío deseado de menos de un milibar, presione el botón de liberación para iniciar la secuencia del temporizador cuando el experimento haya finalizado; descargue las secuencias de imágenes registradas 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 puerta batiente doble y la otra en el portamuestras del acelerador de etapa lineal. Una vez que las muestras estén colocadas, prepare la cámara como antes, sellando el tubo de vidrio y abriendo la válvula de vacío para extraer el aire del tubo.

Luego, configure el momento del mecanismo de liberación y del acelerador lineal según las condiciones deseadas. A continuación, encienda la iluminación adecuada e inicie la grabación con la cámara de alta velocidad. Una vez que se alcance el vacío deseado de menos de 0,01 milibar, presione el botón de liberación para iniciar la colisión al completarse.

Descargue las secuencias de imágenes registradas 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 partículas esféricas monodispersas y partículas de sílice irregulares polidispersas ilustran las características físicas de las muestras utilizadas en los experimentos con la torre de caída en el laboratorio.

Los agregados de polvo pueden elaborarse en diferentes tamaños y formas de muestra, incluyendo cilindros de polvo con diámetros de un centímetro, dos centímetros y cinco centímetros, y esferas de polvo con diámetros de un centímetro y dos centímetros. Además, pueden utilizarse agrupaciones de esferas luminiscentes de tamaño milimétrico (de dos a tres milímetros) mediante la reconstrucción por tomografía de rayos X de la estructura interna de una muestra cilíndrica de agregado de polvo. Es claramente visible que esta muestra de alta porosidad fue ensamblada utilizando agregados de tamaño milimétrico hasta partículas de polvo.

La escala de grises denota el factor de relleno de volumen, la relación entre la densidad de masa de la muestra y la densidad de material de las partículas de polvo monoméricas. Las velocidades de colisión de rebote se analizaron mediante el seguimiento de las posiciones de las partículas a lo largo del tiempo para determinar la velocidad después y antes de la colisión. La relación entre estos valores se denomina coeficiente de restitución y describe la pérdida de energía en la colisión. Los coeficientes de restitución analizados se representan frente a las velocidades de colisión.

Los datos para polvo esférico, agregados y colisiones entre agregados de polvo cilíndricos muestran una tendencia de disminución del coeficiente de restitución con el aumento de la velocidad de impacto. Una vez dominada, esta técnica puede realizarse en una hora si se lleva a cabo correctamente. Trabajar con partículas del tamaño de micrómetros puede ser extremadamente peligroso; por lo tanto, siempre deben tomarse precauciones como mascarillas protectoras, guantes y campanas extractoras como esta durante el procedimiento.