מעבדה בגלילה מגדלים לסימולציה הניסויית של התנגשויות אבק-המצרפי במערכת השמש המוקדמת

המטרה הכללית של הליך זה היא לדמות ניסיונית התנגשויות בין אגרגטי אבק במערכת השמש המוקדמת ולהבין את השלבים הראשונים של היווצרות כוכבי לכת. מטרה זו מושגת תחילה על ידי הכנת שני אגרגטי אבק נקבוביים המייצגים את חלקיקי האבק במערכת השמש הצעירה. השלב השני הוא הכנסת שני אגרגטי האבק לאחד ממסלולי הנפילה במעבדה, שהוכן כדי ליצור התנגשות בין אגרגטי האבק בתנאי מיקרו-כבידה.

בשלב הבא, מתבצע הניסוי ומצלמות במהירות גבוהה מתעדות את ההתנגשות בין שני אגרגטי האבק. השלב האחרון הוא ניתוח ההקלטה במהירות גבוהה של ההתנגשות ביחס לאובדן אנרגיה, מעבר מסה ופרגמנטציה של אגרגטי האבק. בסופו של דבר, תוצאות אלו משמשות לפיתוח מודלים פיזיקליים של התנגשויות אגרגטי אבק במערכת השמש הצעירה, הדרושים לצורך מידול השלבים הראשונים של היווצרות כוכבי לכת.

שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובה לשאלות מפתח בתחום היווצרות כוכבי הלכת, כגון תוצאותיהם של התנגשויות בין אבני הבניין של כוכבי לכת. הרעיון לשיטה זו עלה תחילה כאשר חיפשנו דרכים לביצוע מספר רב של התנגשויות במהירות נמוכה מאוד בין אגרגטים שביריים של אבק. היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות, כגון מתקני מיקרו-כבידה מסחריים, הוא שניתן לבצע את הניסויים בתדירות גבוהה יותר ובצורה חסכונית במעבדה.

הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית, שכן שלבי הכנת הדגימה קשים ללמידה מכיוון שהדגימות המוכנות שבירות מאוד. לתחילת הדברים, חשבו את כמות החומר הדרושה לצורה הרצויה באמצעות המשוואה הבאה. נפו כמות מספקת של חומר דרך רשת של 0.5 millimeter C, ומלאו את המסה שחושבה לתוך תבנית.

לאחר מכן, דחסו את החומר בתוך התבנית על ידי דחיפת בוכנה באופן ידני עד שהדגימה תגיע לחמישה סנטימטרים. לבסוף, הפכו את התבנית. פתחו את לוח הבסיס ודחפו בעדינות את הדגימה החוצה באמצעות הבוכנה.

עבור דגימות של חלקיקים עליונים כדוריים, השתמשו במנגנון שחרור של חלקיק על חוט. כדי להגדיר סוג זה של שחרור, הצמידו את החלקיק שצריך לשחרר לחוט. פעולה זו מבוצעת במהלך דחיסת הדגימה באמצעות בוכנה עם מעבר עבור חוט.

החזיקו את החוט במקומו על ידי הידוקו בין המגנט הסולנואידי לבין נגדי המתכת המוצק עבור דגימות חלקיקים תחתונות כדוריות. השתמשו במנגנון שחרור דלת המלכודת. התחילו בהנחת החלקיק לתוך תבנית חצי כדורית.

במועד המתאים, העבירו זרם חשמלי לסולנואיד של מנגנון השחרור העליון להלן. העבירו זרם חשמלי כדי לסובב את דלת המלכודת כלפי מטה באמצעות סולנואיד סיבובי; כאשר בוחנים מבנים מורכבים יותר, כגון צברים של כדורים, התקינו שני מנגנוני שחרור של דלת המלכודת אחד מעל השני. לאחר שטעינו את שני מנגנוני דלת המלכודת, העבירו זרם חשמלי כדי לשחרר את הדגימות בזמנים הנכונים עבור דגימות גליליות.

התקינו במקומו מנגנון שחרור כפול מסוג מספריים. לאחר מכן, הניחו בעדינות את הדגימות הגליליות על לוחות השחרור. כפי שנעשה קודם לכן, העבירו זרם חשמלי למגנטים הסולנואידיים כדי לשחרר את הדגימות.

אם הדגימה תועגש במקום פשוט ליפול בחופש, השתמשו במנגנון האצה של חלקיקים כגון במה ליניארית המונעת אלקטרומגנטית. בעת בדיקת דגימות גליליות בשילוב עם האצת חלקיקים, השתמשו במנגנון שחרור של דלת מלכודת כפולה. הניחו את דגימת האבק הגלילית על דלת המלכודת הסגורה.

לאחר מכן, פתחו את דלת המלכודת על ידי הפעלת זרם חשמלי למגנט הסולנואיד. שימו לב כי מעכבי זרמי המערבולת מונעים מהדלת לקפוץ חזרה אל הדגימה, כדי להשיג התנגשות במהירות נמוכה. מהירויות של 0.09 meters per second.

מקמו את אחת החלקיקים בגודל סנטימטר אחד בתוך מנגנון החלקיק על חוט, ואת החלקיק השני בגודל סנטימטר אחד במרחק של שבעה מילימטרים בתוך מנגנון השחרור של דלת המלכודת. לאחר מכן, סגרו את צינור הזכוכית של הוואקום. פתחו בזהירות את השסתום למשאבות הוואקום כדי להתחיל ריקוע איטי של האוויר בתוך הצינור.

בשלב הבא, הגדירו את השהיית הזמן של מנגנוני השחרור לתשעה מילי-שניות. המשמעות היא שראשית ישוחרר מקבץ האבק העליון, ותשעה מילי-שניות לאחר מכן ישוחרר החלקיק התחתון; המצלמה תשוחרר בפרק הזמן שביניהם. לאחר מכן, חברו את המצלמות ליחידות השחרור שלהן והדליקו את התאורה. לאחר מכן, התחילו בהקלטה רציפה.

כאשר מושג ואקום רצוי של פחות מ-1 millibar, לחצו על כפתור השחרור כדי להתחיל את רצף הטיימר. עם סיום הניסוי, הורידו למחשב את רצפי התמונות שהוקלטו על ידי המצלמות במהירות גבוהה. הכינו שתי דגימות גליליות בעלות קוטר וגובה של 5 cm להתנגשות במהירות גבוהה, על ידי טעינת דגימה אחת למנגנון השחרור של דלת המלכודת בעלת הכנפיים הכפולות, והשנייה למחזיק הדגימות של המאיץ עם הבמה הליניארית. לאחר שהדגימות במקומן, הכינו את התא כפי שנעשה קודם לכן על ידי איטום צינור הזכוכית ופתיחת שסתום הוואקום כדי להוציא את האוויר מהצינור.

לאחר מכן, הגדירו את תזמון מנגנון השחרור והמאיץ הליניארי בהתאם לתנאים הרצויים. לאחר מכן, הדליקו את התאורה המתאימה והתחילו בהקלטה באמצעות המצלמה המהירה. ברגע שהושג ואקום רצוי של פחות מ-0.01 millibar, לחצו על כפתור השחרור כדי להתחיל את ההתנגשות עם סיום התהליך.

הורד את רצפי התמונות שהוקלטו על ידי המצלמות כפי שבוצע קודם לכן עבור אגרגטים בגדלים שונים. טען את הדגימה הגדולה אל מנגנון השחרור, ולאחר מכן הנח את הדגימה הקטנה על מחזיק הדגימות של המאיץ. תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים אלו של חלקיקי סיליקה כדוריים מונו-דיספרסיביים וחלקיקי סיליקה לא סדירים פולי-דיספרסיביים ממחישות את המאפיינים הפיזיקליים של הדגימות ששימשו בניסויי מגדל הנפילה במעבדה.

ניתן להכין אגרגטים של אבק בגדלים ובצורות שונות של דגימות, כולל גלילי אבק בקטרים של one centimeter, two centimeter ו-five centimeter, וכדורי אבק בקטרים של one centimeter ו-two centimeter. בנוסף, ניתן להשתמש בצב Rs של כדורים מאירים בגודל of two to three millimeter, תוך שימוש בשחזור טומוגרפיה של קרני X של המבנה הפנימי של דגימת אגרגט אבק גלילית. ניכר בבירור כי דגימה בעלת נקבוביות גבוהה זו הורכבה באמצעות אגרגטים של אבק בגודל millimeter.

סולם האפורים מציין את מקדם מילוי הנפח, היחס בין צפיפות המסה של הדגימה לבין צפיפות החומר של חלקיקי אבק המונומר. מהירויות ההתנגשות של החלקיקים נותחו על ידי מעקב אחר מיקומי החלקיקים לאורך זמן כדי להסיק את המהירות לאחר ולפני ההתנגשות. היחס בין ערכים אלו נקרא מקדם ההחזרה (coefficient of restitution) והוא מתאר את אובדן האנרגיה בהתנגשות. מקדמי ההחזרה שנותחו מוצגים בגרף מול מהירויות ההתנגשות.

נתונים עבור אבק ספרי, אגרגטים והתנגשויות בין אגרגטים של אבק גליליים מראים מגמה של ירידה במקדם ההחזרה עם עליית מהירות הפגיעה. ברגע שהטכניקה נשלטת, ניתן לבצעה תוך שעה אחת אם היא מבוצעת כראוי. עבודה עם חלקיקים בגודל מיקרומטר עלולה להיות מסוכנת ביותר, ולכן יש לנקוט תמיד באמצעי זהירות במהלך הפרוצדורה, כגון מסכות מגן, כפפות ומנדפי שאיבה כגון זה.