Laboratoire baisse Towers pour la simulation expérimentale de collisions poussière globales dans le système solaire précoce

L’objectif général de cette procédure est de simuler expérimentalement les collisions entre agrégats de poussière dans le système solaire primitif et de comprendre les premières étapes de la formation des planètes. Ceci est accompli en préparant d’abord deux agrégats de poussière poreux représentant les particules de poussière dans le jeune système solaire. La deuxième étape consiste à insérer les deux agrégats de poussière dans l’une des tours de chute du laboratoire, qui a été conditionnée pour générer une collision entre les agrégats de poussière dans des conditions de microgravité.

Ensuite, l’expérience est réalisée et des caméras à grande vitesse enregistrent la collision entre les deux agrégats de poussière. La dernière étape est l’analyse de l’enregistrement à grande vitesse de la collision en ce qui concerne la perte d’énergie, le transfert de masse et la fragmentation des agrégats de poussière. En fin de compte, ces résultats sont utilisés pour développer des modèles physiques des collisions d’agrégats de poussière dans le jeune système solaire, qui sont nécessaires à la modélisation des premières étapes de la formation des planètes.

Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de la formation des planètes, telles que le résultat des collisions des éléments constitutifs des planètes. Nous avons d’abord eu l’idée de cette méthode lorsque nous cherchions des moyens de réaliser un grand nombre de collisions à très faible vitesse entre des agrégats de poussières fragiles. Le principal avantage de cette technique par rapport aux méthodes existantes, comme les installations commerciales de microgravité, est que les expériences peuvent être réalisées plus fréquemment et sont rentables en laboratoire.

La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle car les étapes de préparation des échantillons sont difficiles à apprendre car ces échantillons préparés sont très fragiles. Pour commencer, calculez la quantité de matériau nécessaire pour la forme souhaitée à l’aide de l’équation suivante. Tamisez une quantité suffisante de matériau à travers une maille C de 0,5 millimètre et remplissez la masse calculée dans un moule.

Ensuite, comprimez le matériau à l’intérieur du moule en poussant un piston à la main jusqu’à ce que l’échantillon ait atteint cinq centimètres. Enfin, retournez le moule. Ouvrez la plaque de base et poussez doucement l’échantillon vers l’extérieur avec le piston.

Pour les échantillons de particules supérieures sphériques, utilisez la particule sur un mécanisme de libération de chaîne. Afin de mettre en place ce type de relâchement, attachez la particule à relâcher à une corde. Cela se fait lors de la compression de l’échantillon à l’aide d’un piston avec un passage pour une corde.

Maintenez la corde en place en la serrant entre l’aimant solénoïde et la contre-pièce métallique solide pour les échantillons de particules inférieures sphériques. Utilisez le mécanisme de déverrouillage de la trappe. Commencez par placer la particule dans un moule semi-sphérique.

Au moment opportun, appliquez un courant électrique à l’aimant solénoïde du mécanisme de déverrouillage supérieur ci-dessous. Appliquez un courant électrique pour faire pivoter la trappe vers le bas à l’aide d’un solénoïde rotatif lors de l’examen d’arrangements plus complexes tels que des grappes de sphères, montez deux mécanismes de déverrouillage de trappe l’un au-dessus de l’autre. Une fois que les deux mécanismes de trappe ont été chargés, appliquez un courant électrique pour libérer les échantillons au bon moment pour les échantillons cylindriques.

Montez un mécanisme de libération double de type ciseaux en place. Ensuite, placez délicatement les échantillons cylindriques sur les plaques de démoulage. Comme précédemment, appliquez un courant électrique aux aimants solénoïdes pour libérer les échantillons.

Si un échantillon doit être accéléré au lieu d’être simplement en chute libre, utilisez un mécanisme d’accélération de particules tel qu’une platine linéaire à commande électromagnétique. Lors de l’essai d’échantillons cylindriques en combinaison avec l’accélération des particules, utilisez le mécanisme de déverrouillage de la trappe à double aile. Placez l’échantillon de poussière cylindrique sur la trappe fermée.

Déverrouillez ensuite la trappe en appliquant un courant électrique à l’aimant solénoïde. Remarquez comment les coupures de courants de Foucault empêchent la porte de rebondir dans l’échantillon pour obtenir une collision à basse vitesse. Vitesses de 0,09 mètre par seconde.

Placez l’une des particules d’un centimètre dans la particule sur un mécanisme à corde et l’autre une particule d’un centimètre à sept millimètres dans le mécanisme de déverrouillage de la trappe. Fermez ensuite le tube en verre sous vide. Ouvrez soigneusement la vanne des pompes à vide pour commencer l’évacuation lente de l’air dans le tube.

Ensuite, réglez la temporisation des mécanismes de relâchement sur neuf millisecondes. Cela signifie que l’agrégat de poussière supérieur sera d’abord libéré et neuf millisecondes plus tard, la particule inférieure, la caméra sera libérée entre les deux, puis fixera les caméras à leurs unités de libération et allumera l’éclairage. Démarrez ensuite l’enregistrement en continu.

Lorsque le vide souhaité de plus d’un millibar est atteint, appuyez sur le bouton de déverrouillage pour lancer la séquence de minuterie lorsque l’expérience est terminée, téléchargez les séquences d’images enregistrées par les caméras à grande vitesse sur un ordinateur. Préparez deux échantillons cylindriques de cinq centimètres de diamètre et de hauteur pour une collision à grande vitesse en chargeant d’abord un échantillon sur le mécanisme de déverrouillage de la trappe à double aile et l’autre sur le porte-échantillon de l’accélérateur de l’étage linéaire. Une fois les échantillons en place, préparez la chambre comme précédemment en scellant le tube de verre et en ouvrant la soupape à vide pour évacuer l’air du tube.

Réglez ensuite le timing du mécanisme de déclenchement et de l’accélérateur linéaire en fonction des conditions souhaitées. Ensuite, allumez l’éclairage approprié et commencez à enregistrer avec la caméra haute vitesse. Une fois que le vide souhaité de mieux que 0,01 millibar est atteint, appuyez sur le bouton de déverrouillage pour initier la collision une fois la collision terminée.

Téléchargez les séquences d’images enregistrées par les caméras comme précédemment pour des agrégats de différentes tailles. Chargez le grand échantillon sur un mécanisme de libération, puis placez le plus petit échantillon sur le porte-échantillon de l’accélérateur. Ces images de microscopie électronique des particules de silice sphériques monodispersées et irrégulières polydispersées illustrent les caractéristiques physiques des échantillons utilisés dans les expériences de tour de chute en laboratoire.

Les agrégats de poussière peuvent être fabriqués dans différentes tailles et formes d’échantillons, y compris des cylindres de poussière d’un centimètre, deux centimètres et cinq centimètres de diamètre et des sphères de poussière d’un centimètre et de deux centimètres de diamètre. De plus, des amas de sphères lumineuses de deux à trois millimètres peuvent être utilisés à l’aide de la reconstruction par tomographie à rayons X de la structure interne d’un échantillon cylindrique d’agrégats de poussière. Il est clairement visible que cet échantillon à haute porosité a été assemblé à l’aide d’agrégats millimétriques à poussière.

L’échelle de gris désigne le facteur de remplissage volumique, le rapport entre la masse volumique de l’échantillon et la densité matérielle des particules de poussière monomère rebondissant Les vitesses de collision ont été analysées en suivant les positions des particules au fil du temps pour dériver la vitesse après et avant la collision. Le rapport de ces valeurs est appelé coefficient de restitution et décrit la perte d’énergie lors de la collision. Les coefficients de restitution analysés sont tracés en fonction des vitesses de collision.

Les données relatives aux poussières sphériques, aux agrégats et aux collisions entre agrégats de poussières cylindriques montrent une tendance à la baisse du coefficient de restitution avec l’augmentation de la vitesse d’impact Une fois maîtrisé. Cette technique peut être réalisée en une heure si elle est correctement exécutée. Travailler avec des particules de taille micrométrique peut être extrêmement dangereux, c’est pourquoi des précautions telles que des masques de protection, des gants et des hottes aspirantes comme celle-ci doivent toujours être prises pendant la procédure.