סימולציה של ארובות הידרותרמיות מוקדמות בכדור הארץ בסביבה שיפועית תרמית
27 בפברואר 2021
מטרת פרוטוקול זה היא ליצור ארובות הידרותרמיות מדומות באמצעות ניסויים בהזרקת גינה כימית ולהציג שיפוע תרמי על פני קרום המשקעים הלא אורגני, באמצעות מדחוס 3D להדפסה שניתן לשחזר למטרות חינוכיות.
הדפסת מחזק הקירור בתלת-ממד מאפשרת לשנות בקלות שיטות ניסיוניות שפותחו בעבר לבקרת טמפרטורה. לאחר מכן ניתן לשתף, לשנות ולהדפיס בקלות את העיצובים הדיגיטליים על-ידי כל חוקר בעל גישה למדפסת תלת-ממד. שיטה זו יכולה לשמש להדמיית תהליכים הידרותרמיים על פני כדור הארץ, אך יכולה לשמש גם לחיקוי אירועים הידרותרמיים על הירח של צדק אירופה או הירח של שבתאי אנצלדוס.
השיטה שפיתחנו משלבת מגוון רכיבים באופן ייחודי. הדגמה חזותית תאפשר לסטודנטים וחוקרים המעוניינים לשחזר או להתאים שיטות אלה כדי לראות כיצד להרכיב ולהפעיל את המנגנון הניסיוני. התחל על ידי הצבת thermistor בעמדה יציבה על ספסל בצד קרוב למכסה המנוע האדים ככל האפשר.
הכנס את צד ה- USB של כבל מתאם RS-232 ליציאת ה- USB של המחשב וחבר את הכבל לשקע חשמל. הפעל את העוצמה עבור תרמיסטור ואת תוכנת תרמיסטור במחשב. בדוק את כבלי רצועת הכלים וודא שהם מחוברים כראוי לפינים על סיכות הכבלים RS-232.
לאחר החיבור, ודא שהפלט קורא 100% במגים אדומים. כאשר תרמיסטור מהבהב מדידות מרווח זמן תכופות לשנות את זמן מרווח ל 60 שניות. בתיבה אפשרויות בקר לכיוון החלק התחתון, מחק שנייה אחת ושנה ל- 60 שניות.
לאחר מכן לחץ על לחצן אישור. לחץ על הכפתור הסגלגל לצד לוגו החברה שכותרתו קנה מידה אוטומטי. שים לב לקו הצהוב המציג את קריאת הטמפרטורה.
בתוך אזור ההתוויה, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני כדי להתאים את התוויה לטעמך, כגון קנה המידה וצירים X ו- Y. לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על אזור ההתוויה ולחץ על ייצוא ל- Excel לפני תחילת קריאה חדשה. שמור את נתוני הטמפרטורה והשעה בגיליון האלקטרוני שנוצרו באופן אוטומטי על-ידי התוכנית.
הנח את גשושית תרמיסטור המתכת לתוך כלי הים מזכוכית בתוך המדחוס. ודא הבדיקה מוגדרת לצד הזכוכית ולאחר מכן לכסות את הזכוכית עם parafilm. ממלאים דלי בגודל בינוני במים עד אמצע הדרך, מניחים את הדלי בתוך מחבת פלסטיק ומוסיפים קרח למים עד כמעט מלא.
מניחים את שני צינורות ניתוק הפלסטיק משני קצות משאבת המים. שימו לב שפתיחת המשאבה האנכית היא המקום שבו מים יישפכו פנימה כדי להתחיל להתגבש, והפתוח האופקי הוא המקום שבו מים נפלטו. חבר את המשאבה לשקע חשמל, אך השאר את המחברים החשמליים פתוחים.
חבר את צינור הפלסטיק האופקי ליציאת המרוכז הגבוהה יותר הפונה ימינה וודא שהצינור ארוך מספיק כדי להגיע לדלי הקרח. חבר צינור פלסטיק חותך נוסף לנמל המרוכז השמאלי. מקם את הצינור הזה מעל דלי מי הקרח שלתוכו ייפלטו המים מהמעגן.
שפוך מים קרים דרך הצינור המחובר לפתיחה האנכית של המשאבה. כאשר המשאבה מלאה במים, מגיעה עד לנמל ה עיבוי, לטבול את הצינור לתוך אמבט מי הקרח, ומיד לחבר את המחברים החשמליים. תציב את המשאבה כדי להתחיל לזרום מים דרך המדחוס, למלא את הדלי בקרח, ולהניח מדחום בדלי כדי לבדוק את הטמפרטורה.
המשיכו להוסיף עוד קרח כדי לשמור על המים בטמפרטורה קרה ולגרוף חלק מהמים החמים יותר. עוטפים כרית סביב המזרק הגופרתי ומברגים בחוזקה על שני מלחצי מתכת סביב הכרית. יוצקים תמיסת אוקיינוס אחת או שתיים לתוך ספינות הארובה הטרומיות.
יוצקים תמיסת אוקיינוס אחת לתוך בקבוקון הזכוכית עם מחזק והשני לתוך כלי טמפרטורת החדר ללא מחזק, הקפדה לא להזיז את בדיקת הטמפרטורה. התחל את ההזרקה ולהתחיל להקליט את טמפרטורת האוקיינוס על תרמיסטור. ברגע שהמים זורמים דרך המדחה, בדיקת הטמפרטורה של תרמיסטור תתחיל להציג את הנפילה בטמפרטורה בתוך האוקיינוס.
ברגע שסימולנט הנוזל ההידרותרמי הגיע ללוויאל האוקיינוס, החל להיווצר מבנה מזרז מינרלי שהפך עבה וגבוה יותר למשך ההזרקה. פתרונות מרוכזים יותר של גופרית מותר משקעים מינרליים גבוהים וחזקים יותר. במקרים מסוימים, שום מבנה לא נוצר רק מרק מינרלי גופרתי נוזלי שבסופו של דבר יתיישב כמ משקעים.
בניסויי ארובה שיפועים תרמיים עם מבני ארובות מוצקים גופרתי ברזל בדרך כלל לא התמזגו כמו שהם התמזגו כמו בטמפרטורת החדר. הארובות בשיפוע הטמפרטורה היו מחוטים כמו ורופפות בטבען. בעוד שלתוצאות ההדרגה הלא-תרמיות היו יותר מבנים קבועים למחצה.
כך היה גם כאשר הנוזל ההידרותרמי היה מחומם. ארובה מוצקה של ברזל גופרתי הצליחה להיווצר בין תמיסה הידרותרמית בטמפרטורת החדר לבין סימולנט אוקיינוס קר בריכוזים גבוהים יותר של גופרית וברזל. ההשפעה של שיפוע תרמי על הצמיחה של ארובות ברזל הידרוקסיד נבדק גם.
בעוד ניסוי ברזל הידרוקסיד טמפרטורת החדר הפיק משקעים ארובה חזקה, הניסוי שיפוע תרמית הביא כמות קטנה יותר של חומר ארובה שלא התמזג אנכית. בעקבות הליך זה, ניתן לחקור מגוון רחב של שיפועי כימיה וטמפרטורה כדי להבין טוב יותר את תפקידם של שיפועי טמפרטורה במערכות כימיות דינמיות אלה.
סקירה כללית
פרוטוקול זה מתאר את היצירה של פירים הידרותרמיים מדומים באמצעות ניסויי הזרקה של "גנים כימיים" (chemical gardens). הוא מציג מדרג טמפרטורה לאורך ממברנת השקע האנורגנית באמצעות מעבה הניתן להדפסה בתלת-ממד למטרות חינוכיות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- ביולוגיה
- גיאוכימיה
רקע
- טכנולוגיית הדפסה בתלת-ממד מאפשרת התאמה אישית של מערכים ניסיוניים.
- סימולציה של תהליכים הידרותרמיים יכולה לספק תובנות למדעי כדור הארץ והחלל.
- בקרת טמפרטורה היא קריטית לחקר היווצרות משקעי מינרלים.
- אחבושים הידרותרמיים הם בעלי חשיבות רבה להבנת תהליכים גאולוגיים וביולוגיים.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה הניתנת לשחזור לסימולציה של סביבות הידרותרמיות.
- בחינת ההשפעות של מדרגי טמפרטורה על היווצרות משקעים מינרליים.
- מתן הדגמה חזותית למטרות חינוכיות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הגדרת מעבה מודפס בתלת-ממד לבקרת טמפרטורה.
- הזרקת תמיסות אוקייניות למכלי זכוכית.
- ניטור שינויי טמפרטורה באמצעות תרמיסטור.
- תיעוד וניתוח של צמיחת משקעי מינרלים.
תוצאות עיקריות
- מדרגים תרמיים השפיעו על המבנה והיציבות של משקעי מינרלים.
- ריכוזים גבוהים יותר של סולפיד הובילו למבני פחפיריים חסונים יותר.
- תנאי טמפרטורת החדר הניבו משקעים חסונים יותר בהשוואה למדרגים תרמיים.
- שינויים בטמפרטורה ובכימיה יכולים להוביל לתוצאות מגוונות בהיווצרות הפחפריים.
מסקנות
- המחקר מספק מסגרת לבחינת תהליכים הידרוטרמיים.
- מדרגי טמפרטורה ממלאים תפקיד משמעותי בדינמיקה של צמיחת מינרלים.
- ניתן להתאים שיטה זו למחקרים נוספים, הן בהקשרים קרקעיים והן בהקשרים חוץ-פלנטריים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
סימולציה של פיהים הידרותרמיים מכדור הארץ המוקדם במדרגים תרמיים מבוקרים מספקת פלטפורמה לבחינת תהליכים גיאוגכימיים הרלוונטיים לכימיה פרה-ביוטית ולמקורות החיים. המעבה המודפס בתלת-ממד הניתן להתאמה מאפשר ניסויים הדירים וניתנים להרחבה, התומכים במחקר מבוסס היפותזה על קטליזה המתווכת על ידי מינרלים ומדורג. גישה זו מגבירה את הביטחון החזוי במידול סביבות פרה-ביוטיות ומספקת מידע למחקר יישומי בגיאוכימיה פלנטרית וסינתטית.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בדיקה שיטתית של היפותזות גאוכמיות הרלוונטיות לקטליזה ולתחימה (compartmentalization) פרה-ביוטיות.
- תומך בתיקוף פונקציונלי של סביבות תגובה המתווכות על ידי מינרלים תחת מדרגים מבוקרים.
- מקל על הפחתת הסיכונים במודלים מכניסטיים של תהליכים ביוכימיים מוקדמים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספקת פלטפורמה סטנדרטית הניתנת לשינוי עבור סימולציה של תנאים הידרוטרמיים מגוונים.
- מאפשרת יצירה הדירה של מבני משקעי מינרלים עבור בדיקות כימיות או קטליטיות בהמשך.
- תומכת במדידה כמותית של מורפולוגיית המשקעת ויציבותה תחת תנאים משתנים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה תנאים ניסיוניים למודלים פלנטריים ואסטרוביולוגיים לצורך רציפות תרגומית.
- מאפשרת חקר מותאם סיכונים של מסלולי תגובה פרה-ביוטיים במערכות סינתטיות או כאלה הרלוונטיות למחלות.
- תומכת בפיתוח של מודלים ניבויים לתהליכים המקוטלים על ידי מינרלים הרלוונטיים לביוכימיה מוקדמת.
שילוב תהליכי עבודה ו-Pipeline
שיטה זו משתלבת ברצף התגליות, החל מבדיקת השערות גאוכימיות ועד לתיקוף מודלים פרה-ביוטיים, ותומכת בפיתוח איטרטיבי של בדיקות עבור קטליזה מתווכת מינרלים.
- ביולוגיה של הגילוי: מקלה על חקירה מונחית-השערות של השפעות מינרלים ומדרונות טמפרטורה על כימיה פרה-ביוטית.
- סריקה: מספקת מבנים מינרליים הניתנים לשחזור ומוכנים לבדיקה עבור מחקרים השוואתיים.
- אנליטיקה: מאפשרת קריאות כמותיות של היווצרות משקעים, מורפולוגיה ויציבות.
- מחקר תרגומי: מגשר בין סימולציה במעבדה למודלים גאוכימיים פלנטריים וסינתטיים.
- שימוש חוזר ארגוני: תכנוני קונדנסור דיגיטליים מאפשרים התאמה מהירה ושיתוף בין צוותי מחקר.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי במודלים גאוכימיים ופרה-ביוטיים.
- ערך תפעולי: מנスタンダ תהליכי עבודה ניסיוניים ומשפר את השחזוריות.
- ערך אסטרטגי: תומך בקבלת החלטות מושכלת לגבי המשך או הפסקת מחקר (go/no-go) בשלבים מוקדמים של מחקר גאוכימי וביולוגיה סינתטית.
- השפעה על הפורט폴יו: מאפשר תיעודוף מותאם סיכון של מודלים לתהליכים פרה-ביוטיים ותהליכים המזורזים על ידי מינרלים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בגיאוכימיה, כימיה אנליטית ותכנון ניסויי.
- נחושה גישה להדפסת תלת-ממדית, מכשור לבקרת טמפרטורה ותשתיות אנליטיות.
- דורש סטנדרטיזציה בין-צוותית לצורך השוואת נתונים ושחזוריות.
- ניתן להתאמה למגוון של מערכות מודל כימיות ותרמיות.
- מגבלות מעשיות כוללות רגישות לריכוז, למפל טמפרטורה ולהגדרת המכשיר.
