Name: Laboratorio di goccia Torri per la simulazione sperimentale di collisioni Dust-aggregati nel sistema solare (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-06-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 44 s
Description: Esplora la simulazione di collisioni tra aggregati di polvere nel sistema solare primordiale utilizzando torri di caduta in vuoto. Questo metodo sperimentale consente di studiare la formazione planetaria con imaging ad alta velocità.

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Gli autori ringraziano il Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), il Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) e il TU Braunschweig per il continuo supporto alle nostre attività di laboratorio. La torre di caduta a bassa velocità è stata istituita nell'ambito della sovvenzione DLR 50WM0936, la torre di caduta ad alta velocità è stata sviluppata nell'ambito della sovvenzione DFG INST 186/959-1 come parte del CRC 963 "Instabilità e turbolenza del flusso astrofisico".

ATTENZIONE: a seconda della pericolosità delle particelle utilizzate, che possono essere trovati nei corrispondenti schede di sicurezza, di protezione della bocca e gli attrezzi di sicurezza devono essere indossati dalla persona che lavora con la polvere. Si raccomanda inoltre di utilizzare un sistema di aspirazione per mantenere l&#39;aria di polvere libera ambiente. 1. Preparazione di cm dimensioni Dust aggregate Campioni <ol><li> Calcolare la quantità di materiale necessario per m = Φ ρ 0 V, dove m è la massa richiesta, Φ è il fattore di riempimento del volume desiderato (volume di riempimento fattore = 1 - porosità), ρ 0 è la densità del materiale, e V è il volume del campione. 77 g di polvere irregolare silicato (ρ 0 = 2.6 g / cm 3) è necessaria per ottenere un campione porosità del 70% (fattore di volume di riempimento = 0,3) per un campione cilindrico 5 cm di diametro ed altezza, rispettivamente. Nota: Formazione di pla terrestreReti inizia con la coagulazione di dimensioni micrometriche grani di polvere - prevalentemente composti da silicati - in corpi porosi cm dimensioni. Un materiale analogo da laboratorio ben studiato e adatto è SiO 2, che è disponibile come polvere di forma irregolare con una distribuzione di dimensione compresa tra 0,5 e 10 micron e in forma di granuli sferici monodisperse per una migliore comparabilità a modelli teorici (vedi Tabella 1 e Figura 1). </li></ol><table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="569"><tbody><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;width:161px;"> SiO 2-monomero tipo di grano </td><td style="width:96px;"> Fabbricante </td><td style="width:119px;"> Diametro particellare </td><td style="width:95px;"> Forma delle particelle </td><td style="width:100px;"> Esempio di figura </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> Monodisperse </td><td> MicroMod </td><td> 1.52 ± 0.06 &amp;# 181; m </td><td> Sferico </td><td> Figura 1 (a sinistra) </td></tr><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;"> Polidisperso </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 0,1-10 micron </td><td> Irregolare </td><td> Figura 1 (a destra) </td></tr></tbody></table> Tabella 1. Caratteristiche delle SiO 2 particelle utilizzati negli esperimenti di collisione polvere aggregato. <img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" width="500" /> Immagini di Figura 1. Microscopia elettronica del monodispersa (a sinistra) e polydisperse (a destra) SiO 2 particelle utilizzate per la produzione di aggregati macroscopici di polvere. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <olstart = &quot;2&quot;&gt; <li> Prendete un contenitore con dimensioni micrometriche SiO 2 particelle (cfr. tabella 1) e versare il suo contenuto su un setaccio a maglie di 0,5 mm. Setacciare una quantità sufficiente di materiale e riempire la massa calcolata nello stampo. Comprimere il materiale nello stampo spingendo in un pistone a mano fino a raggiungere l&#39;altezza del campione (ad esempio, 5 cm). Giratevi lo stampo sul pistone, aprire la piastra di base e spingere delicatamente il campione fuori. Nota: I campioni possono essere prodotti in varie forme (sferici e cilindrici), dimensioni (1 mm a 10 cm) e porosità (da 60 a 85%) (vedere la Figura 3). I campioni possono essere utilizzati singolarmente negli esperimenti di collisione o combinati in cluster, che poi si scontrano con altri aggregati o cluster. </li></ol><img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> Figura 2. Fotografico. la variazione di dimensioni e forme del campione di polvere di aggregazione sono riportati i seguenti esempi: cilindri di polvere con 1 cm, 2 cm, e 5 cm di diametro (fila), sfere di polvere con 1 cm e 2 cm di diametro (riga centrale), e 2-3 dimensioni mm-Al 2 O 3 sfere (anteriori). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" target="_blank">Cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <ol start="3"><li> Caratterizzare i campioni rispetto alla porosità e omogeneità. Se i campioni cadono al di fuori dei margini consentiti, produrre nuovi campioni. <ol><li> Per determinare la porosità del campione di polvere, determinarne il volume misurando le sue dimensioni e la sua massa mediante un preciso equilibrio. </li><li> Utilizzare tomografia a raggi X (XRT) 12 per ottenere informazioni sulla omogeneità e distribuzione dei pori di dimensioni del campione prodotta. Nota: Per i cinque centimetri-size aggregati di polvere, abbiamo trovato le deviazioni da riempire il volume medio di fattor, ossia il rapporto della densità di massa del campione e la densità del materiale delle particelle di monomero di polvere, di solo circa 1% entro il grosso del volume dei campioni e un po &#39;più grande aumento del fattore volume di riempimento fino a 8% verso delimitazioni esterne 12. Figura 3 mostra una ricostruzione XRT di un taglio attraverso un aggregato polvere cilindrica 5 cm di diametro e 5 cm di altezza. Non usiamo XRT per ciascun aggregato polvere, ma esaminiamo la struttura interna e l&#39;omogeneità dei campioni casuali. </li></ol></li></ol><img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> Figura 3. Ricostruzione della struttura interna di un campione di polvere di aggregazione cilindrica 5 cm Altezza e 5 cm di diametro dopo analisi XRT. La scala di grigi indica il fattore di riempimento del volume, che è il rapporto della densità di massa di tlui campione e la densità del materiale delle particelle di monomero-polvere. Dalla ricostruzione XRT, è chiaramente visibile che questo campione ad alta porosità è stato assemblato utilizzando aggregati di polvere di dimensioni mm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" target="_blank">Cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> 2. Principio della torre di caduta di installazione <ol><li> Meccanismi di rilascio: Nella parte superiore della torre di caduta due meccanismi di rilascio sono attaccati uno sopra l&#39;altro. Ognuno di loro tiene un campione e rilascia in caduta libera. La differenza di tempo fra il rilascio della tomaia e la particella inferiore determina la velocità relativa della collisione. Secondo la morfologia e la forma delle particelle, vengono scelti opportuni meccanismi di rilascio. Se viene utilizzato un meccanismo di accelerazione delle particelle, è richiesto un solo meccanismo di sgancio. <ol><li> Meccanismo di rilascio Particle-on-a-string (campioni sferici, uppparticella er): Questo meccanismo di rilascio è costituito da un magnete solenoide lineare e un solido banco pezzo di metallo. <ol><li> Fissare la particella per essere rilasciato in una stringa. Tenere la stringa in posizione fissando essa tra il magnete solenoide e il contatore pezzo di metallo solido. </li><li> Per rilasciare la particella, applicare una corrente elettrica al magnete solenoide (vedi film 1). </li></ol></li><li> Botola meccanismo di sgancio (campioni sferici, particella inferiore): Questo meccanismo di rilascio è costituito da un magnete solenoide rotante a cui un titolare particella è attaccato. <ol><li> Posizionare la particella in uno stampo semi-sferica, che viene ruotato verso il basso da un solenoide rotazionale quando una corrente elettrica viene applicata (vedi film 1). </li><li> Questo meccanismo può essere usato anche per il rilascio di nubi di particelle o grumi di aggregazione. In quest&#39;ultimo caso, montare due meccanismi di rilascio botola sovrapposte (vedi filmato 2). </li></ol&gt; </li><li> Meccanismo a forbice di tipo double rilascio (campioni cilindrici): Questo meccanismo di rilascio è costituito da due coppie di magneti rotanti elettrovalvole a cui è allegato un asta di metallo. I due magneti solenoidi di ogni meccanismo di rilascio sono posizionati in modo tale che le due aste metalliche sono parallele. <ol><li> Posizionare i due campioni sulle due aste parallele ciascuna. </li><li> Applicare una corrente elettrica ai due solenoidi rotazione per liberare le particelle in caduta libera. (Vedi Movie 3). </li></ol></li><li> Meccanismo a doppia ala rilascio botola (campioni cilindrici, in combinazione con il meccanismo di accelerazione delle particelle): Questo meccanismo di rilascio è costituito da due lastre di metallo a molla, che insieme formano un supporto di particelle a forma di v. Le due piastre metalliche sono tenuti in posizione da un&#39;asta metallica, che è attaccato ad un magnete solenoide rotante. <ol><li> Collocare il campione di polvere cilindrico sulla botola chiusa. </li><li> Sbloccare la botola applicandouna corrente elettrica al magnete solenoide. Per evitare il rimbalzo-back delle porte, freni a correnti parassite farli smettere (vedi filmato 4). Nota: È importante rilasciare le particelle in caduta libera senza velocità iniziale e la rotazione. A questo scopo sono stati sviluppati diversi meccanismi di rilascio (2.1.1 - 2.1.4). </li></ol></li></ol></li><li> Meccanismi di accelerazione di particelle: Accelera le particelle mediante una molla precaricata o da una fase lineare elettromagnetico guidato. Entrambi acceleratori possono essere dotati di porta-campioni per le particelle di forma diversa. </li> <li> Elettronica di controllo: Impostare il timer e rilasciare elettronica per i valori appropriati per raggiungere la velocità di collisione desiderato e utilizzare la fotocamera in una cornice di centro-di-massa. Nota: I tempi del rilascio di particelle, accelerazione delle particelle e attivazione della fotocamera viene eseguita da un insieme di timer elettronici, la cui funzionalità è spiegato in MOvie 5. </li></ol> 3. Esperimenti Performing <ol><li> Collisioni a bassa velocità (piccola torre di caduta): <ol><li> Caricare i campioni nel scissor-type doppio meccanismo di rilascio e vicino tubo di vetro sottovuoto. </li><li> Avviare evacuazione e impostare i parametri del timer. </li><li> Collegare le telecamere alle loro unità di rilascio magnetici. Avviare registrazione della videocamera continua. Nota: A causa dell&#39;elevata intensità dell&#39;illuminazione in campo chiaro LED, un tempo di esposizione sufficientemente breve della telecamera ad alta velocità può essere scelta in modo che il moto delle particelle durante l&#39;esposizione è trascurabile. In cima a quello, il diaframma dell&#39;obiettivo della telecamera deve essere impostato a valori abbastanza elevati per estendere la profondità di fuoco su tutta diametro della torre di caduta. </li><li> Quando si raggiunge la qualità del vuoto desiderato, accendere le luci, premere il pulsante di avvio e scaricare le sequenze di immagini. </li></ol></li><li> Collisioni ad alta velocità (grande torre di caduta): <ol><li> Caricare i campioni in doppio-wing botola meccanismo di rilascio e di acceleratore e chiudere il tubo di vetro sottovuoto. </li><li> Avviare evacuazione e impostare i parametri del timer. </li><li> Avviare registrazione della videocamera continua. Quando si raggiunge la qualità del vuoto desiderato, accendere le luci e premere il pulsante di avvio. Scarica le sequenze di immagini. Nota: A causa dell&#39;elevata intensità dell&#39;illuminazione in campo chiaro LED, un tempo di esposizione sufficientemente breve della telecamera ad alta velocità può essere scelta in modo che il moto delle particelle durante l&#39;esposizione è trascurabile. In cima a quello, il diaframma dell&#39;obiettivo della telecamera deve essere impostato a valori abbastanza elevati per estendere la profondità di fuoco su tutta diametro della torre di caduta. </li></ol></li></ol> 4. Esperimenti Esempio <ol><li> Caricare accuratamente i campioni nel meccanismo di sgancio appropriato. <ol><li> Collisioni a bassa velocità (meccanismo di doppia uscita, 0.09 m / sec): 5 cm vs 5 centimetri, che rimbalza. Caricare i campioni in due meccanismi di rilascio scissor-type. Araggiungere velocità di collisione di 0.09 m / sec, collocare il particelle di 7 millimetri a parte e impostare il tempo di ritardo dei meccanismi di rilascio a 9 msec. Nota: A questa velocità d&#39;impatto, i campioni di polvere rimbalzano a vicenda dopo la collisione. La sequenza di immagini viene catturata da una telecamera ad alta velocità in caduta libera (vedi filmato 6). </li> <li> Collisioni ad alta velocità (accelerazione elettromagnetica; 7.4 m / sec): 2 cm vs 2 centimetri, la frammentazione. Caricare un campione sul botola meccanismo di rilascio a doppia ala; posizionare l&#39;altro campione sul portacampioni dell&#39;acceleratore lineare stadi. Nota: Per raggiungere velocità di collisione di 7,4 m / sec, l&#39;aggregato polvere inferiore è uniformemente accelerato verso l&#39;alto con 2 g, mentre contemporaneamente l&#39;aggregato polvere Upper Falls. Ad una velocità relativa di 7,4 m / sec, il frammento campioni di polvere (vedi filmato 7). </li> <li> Collisione ad alta velocità di piccoli aggregati su grandi aggregati: 0,5 centimetri vs 5 cm, il trasferimento di massa. Caricare the ampio campione su un meccanismo a forbice tipo di rilascio; collocare il campione più piccolo sul portacampioni dell&#39;acceleratore molla. Nota: Per raggiungere velocità collisione richiesta per il trasferimento di massa, l&#39;aggregato polvere inferiore è uniformemente accelerato verso l&#39;alto, mentre contemporaneamente l&#39;aggregato polvere Upper Falls. A questa velocità relativa, i frammenti campione più piccola e trasferisce una piccola quantità di massa sul campione più grande. Come la fotocamera cade lungo il (più massiccia) particella superiore, le immagini riprese dalla telecamera ad alta velocità danno l&#39;impressione di una grande particella più o meno a riposo (vedi film 8), che non è vero come visto da fuori la torre di caduta. </li></ol></li><li> Chiudere il tubo di vetro sotto vuoto. </li><li> Aprire con cautela la valvola del vuoto alle pompe iniziare lento evacuazione e impostare i parametri del timer la differenza di tempo richiesto per la velocità di collisione desideri. </li><li> Collegare le telecamere alle loro unità di rilascio (se si utilizzano telecamere in caduta libera).Avviare registrazione della videocamera continua e accendere le luci. </li><li> Quando si raggiunge la qualità del vuoto desiderato, premere il pulsante di scatto per avviare la sequenza timer. </li><li> Scarica le sequenze di immagini registrate dalle telecamere ad alta velocità a un computer. </li></ol> 5. Analisi dei dati <ol><li> Ha scelto un valore di grigio soglia adeguata tra lo sfondo e il valore del grigio degli oggetti. Creare un&#39;immagine binaria basata su questa soglia impostando pixel con valori di grigio sopra la soglia al bianco (valore binario 1) e pixel con bassi valori di grigio a nero (valore binario 0). </li><li> Determinare la posizione del centro delle particelle di massa in ciascuna delle immagini. Una buona approssimazione per determinare il centro di massa per particelle simmetriche è il centro dell&#39;area proiettata. Questo viene calcolato dalle immagini binarizzate. </li><li> Utilizzare la posizione relativa dei centri di massa degli oggetti e le informazioni di tempo dalle immagini della telecamera per calcolare lavelocità relativa (vedi filmato 9). Le piste della curva di posizione vengono visualizzati sulla destra-mano-lato di Movie 9. <ol><li> In caso di collisione rimbalzo, determinare le velocità relative prima e dopo il contatto. Calcolare il coefficiente di restituzione, cioè il rapporto tra la velocità dopo l&#39;urto e prima. Tracciare la velocità relativa rispetto al coefficiente di restituzione. Un esempio di questa analisi è mostrato in Figura 4. </li></ol></li></ol><img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" width="500" /> Figura 4. Esempio dell&#39;analisi di rimbalzare collisioni. Il coefficiente di restituzione, cioè il rapporto tra la velocità di rimbalzo e la velocità d&#39;impatto, è un grafico in funzione della velocità di collisione. Cerchi mostrano i dati per aggregati di polveri sferiche di due centimetri diametroter 13 (vedere Figura 2), triangoli denotano collisioni tra gli aggregati di polvere cilindrici su 5 cm di diametro e 5 cm di altezza (vedi figura 2) e due diversi fattori di riempimento del volume di 0,3 e 0,4, rispettivamente 12. I dati mostrano un trend decrescente di coefficiente di restituzione, con velocità d&#39;impatto crescente. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <ol start="2"><li> Se una o entrambe le particelle frammento, determinare le dimensioni di come molti dei frammenti più grandi possibili, misurando le rispettive aree proiettate e assumendo forme appropriate. <ol><li> Se si verifica la frammentazione di una sola particella, di solito trasferisce una certa quantità della sua massa alla particella superstite. Determinare la quantità di massa trasferito misurando il volume maturato, assumendo una forma e porosità opportuno quantificare la massa-transfer efficienza. </li></ol></li></ol>

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</ol>

Non abbiamo nulla da rivelare.

A causa della elevata precisione meccanica, il tasso di fallimento di entrambe le torri goccia è estremamente bassa. Questo è di estrema importanza, perché la preparazione del campione può richiedere fino a diverse ore, a seconda delle dimensioni, la forma e la porosità degli aggregati di polvere desiderati. Va ricordato che le grandi aggregati di polveri ad altissima porosità sono estremamente fragili e, quindi, difficile da maneggiare. Può accadere che questi aggregati di polvere si rompono durante l&#39;estrazione al largo della muffa o trasferimento alla torre di caduta. In questi casi, un nuovo campione deve essere preparato. Pertanto, è importante che la piccola torre di caduta permette affidabili (e prevedibili) velocità di collisione fino a 0,01 m / sec 11,13. La velocità di impatto più basso finora raggiunto è stato 0.004 m / sec. Queste piccole velocità di impatto possono essere raggiunte solo per particelle libere in un ambiente di microgravità. La torre di caduta laboratorio è una realizzazione economica e versatile di tale struttura microgravità. Alternative metodi per ottenere velocità di basso impatto fanno uso di tecniche di levitazione 14,15 (ad esempio mediante levitazione elettromagnetica o aerodinamica) ma generalmente indurre una forza tra le particelle collidenti, che deve essere preso in considerazione nell&#39;analisi delle collisioni. Inoltre, levitazione spesso induce moto di rotazione 14, che, se desiderato, non consente collisioni senza rotazione ma, d&#39;altra parte, potrebbe anche permettere simulazioni realistiche di collisioni tra particelle rotanti. In caso di levitazione aerodinamica, effetti a cuscino d&#39;aria durante la collisione possono indurre condizioni indesiderate che non corrispondono a quelli di dischi protoplanetari. Tuttavia, levitazione permette di tempo di osservazione illimitato e esperimenti ripetibili in modo che deve essere considerata un&#39;alternativa alla torre di caduta se la limitazione del tempo è essenziale. Tutti i nostri sforzi finora sono stati concentrati su SiO 2 come rappresentante dei silicati nel pianeta terrestre-formazione rEgion di giovani Sistemi Solari. Poiché la maggior parte della massa di dischi protoplanetari si concentra oltre il punto di condensazione di acqua ghiacciata, è essenziale studiare anche il comportamento collisione degli aggregati costituito da H 2 O grani-ghiaccio micron dimensioni. Attualmente stiamo allestendo una torre di caduta crio-vuoto per questo scopo. Si deve notare che le temperature in tali esperimenti di simulazione devono essere inferiori ~ 150 K, che è la temperatura della cosiddetta &quot;linea della neve&quot; in dischi protoplanetari (&quot;linea neve&quot; divide le regioni interne dove l&#39;acqua è nel vapore fase dalle regioni esterne dove è situato come il ghiaccio d&#39;acqua in). Abbiamo dimostrato che la formazione di particelle di acqua-ghiaccio micron dimensioni è fattibile e che gli aggregati di esso possono essere prodotti 16 in modo che noi siamo ottimisti di avere i primi risultati sul loro comportamento collisione entro i prossimi 1-2 anni.

E &#39;generalmente accettato che la formazione dei pianeti inizia con l&#39;accumulo non-gravitazionale di microscopici grani di polvere in grandi aggregati di polvere (vedi recensione da Blum &amp; Wurm) 1. Le particelle di polvere collidono all&#39;interno dei loro dischi protoplanetari dovuta al moto browniano, moti di deriva relativi, e la turbolenza del gas nebulare (vedi recensione da Johansen et al.) 2. Se le velocità di collisione sono sufficientemente bassi, le particelle di polvere stare insieme per formare agglomerati più grandi. Una ricchezza di misure di laboratorio negli ultimi anni hanno portato ad un modello di collisione polvere di aggregazione che predice l&#39;esito di una coppia di aggregati di polvere con masse arbitrarie e velocità di collisione 3. I risultati collisionali di base sono sporgenti (in generale per piccole masse aggregate e basse velocità di collisione), rimbalzando, e la frammentazione (per elevate velocità di impatto). Tuttavia, le transizioni tra queste fasi non sono taglienti e ci sono altririsultati, come, ad esempio, il trasferimento di massa o erosione. L&#39;applicazione di questo modello in un disco protoplanetario tipica prevede la crescita di cm dimensioni degli aggregati di polvere all&#39;interno di qualche migliaio di anni 4. La presenza di cm dimensioni degli aggregati di polvere è stato ampiamente studiato da osservazioni astronomiche negli ultimi anni e ora può essere considerato come stabilito (vedi recensione di Testi et al.) 5 in modo che possiamo concludere che il principale meccanismo attraverso il quale i primi corpi macroscopici in giovani sistemi planetari è stato identificato forma. Tuttavia, l&#39;ulteriore crescita di corpi di almeno dimensioni chilometri non è così chiara. Per la regione terrestre-pianeta, due ipotesi sono attualmente discussi (vedi anche le recensioni più recenti in materia di Johansen et al 2 e Testi et al 5..): (I) la concentrazione degli aggregati di polvere cm dimensioni da, ad esempio, il in streaming instabilità 6 e successiva gravitcrollo azionale 7,8 e (ii) la crescita di pochi &quot;fortunati vincitori&quot; ai formati più grandi, con conseguente accrescimento di massa dal processo di trasferimento di massa 9,10,11. In entrambi i modelli, dimensioni cm aggregati di polveri subiscono un enorme numero di collisioni reciproche a basse velocità moderata. Non è chiaro quali sono i possibili esiti di queste collisioni (oltre a rimbalzo) sono. Per migliorare la polvere aggregato modello collisione Güttler et al. 3 e di indagare più in dettaglio le collisioni tra aggregati di polvere macroscopici nei regimi di velocità relative, abbiamo istituito due torri goccia nel nostro laboratorio, in cui i singoli collisioni aggregate aggregato può essere studiato nei minimi dettagli in condizioni di vuoto e di microgravità. Entrambe le torri goccia possiedono un&#39;altezza caduta libera di 1,5 m, il che limita il tempo di osservazione di ~ 0,5 sec. Così, osserviamo le collisioni da telecamere ad alta velocità con formato megapixel e fino a 7500 fotogrammi al secondo.Per ottenere il massimo contrasto e alte velocità di registrazione, viene scelto l&#39;illuminazione in campo chiaro. L&#39;illuminazione è quindi fornita da pannelli a LED ad alta intensità e omogeneizzata da schermi diffusori. Così, le telecamere ad alta velocità vista la polvere collisione aggrega oggetti scuri davanti uno schermo illuminato. Per evitare sfarfallio, i LED sono alimentati DC. Per ottenere basse velocità di collisione, i due aggregati di polveri sono posti uno sopra l&#39;altro in un doppio meccanismo di rilascio. Rilasciando l&#39;aggregato superiore un tempo di t prima quello inferiore risultati in una velocità relativa di v = gt, con g = 9,81 m / sec 2 essendo l&#39;accelerazione gravitazionale terrestre. Le due telecamere ad alta velocità, che visualizzano la collisione da due direzioni 90 ° di distanza, sono tipicamente rilasciati tra i due aggregati di polvere (tipicamente t / 2 dopo la particella superiore). Le telecamere eseguita in modalità continua registrazione, la quale termina con l&#39;impatto della fotocameratitolari in secchi di sabbia. Il frame rate massimo in questa modalità operativa è di 1.000 immagini al secondo con risoluzione megapixel. Con questa impostazione, le velocità al di sotto di 0,01 m / sec sono stati raggiunti. A causa delle limitazioni della configurazione meccanica del meccanismo di doppia uscita, la velocità massima di collisione relativa è ~ 3 m / sec. Le collisioni che coinvolgono aggregati di polvere fino a 5 cm di grandezza sono stati indagati in questa torre di caduta. Per velocità di collisione elevate fino a ~ 10 m / sec, una seconda torre di caduta viene utilizzato, che è dotato di un acceleratore elettromagnetico che è in grado di accelerare uniformemente polvere aggrega fino a 5 m / sec in direzione verticale verso l&#39;alto. L&#39;altro aggregato polvere è detenuto da una botola meccanismo di rilascio a doppia ala e può essere rilasciato gratuitamente rotazione in caduta libera in un dato momento. Qui, non ha senso utilizzare le telecamere in caduta libera. Noi invece usiamo due telecamere fisse ad alta velocità fino a 7.500 fotogrammi al secondo e una risoluzione megapixel. A causa della grande Diameter di questa torre di caduta, polveri inerti fino a (e possibilmente sopra) 10 cm possono essere usati.

<table><tbody><tr><td>Particelle monodisperse SiO2</td><td>Micromod</td><td>43-00-153</td><td>Diametro delle particelle 1,52 &plusmn; 0,06 &; m; forma delle particelle sferico</td></tr><tr><td>Polidisperso SiO2 particelle</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5631</td><td>Diametro delle particelle 0,1 &ndash; 10 &; m; forma delle particelle irregolare</td></tr></tbody></table>

laboratorio di goccia torri per la simulazione sperimentale di collisioni dust-aggregati nel sistema solare

Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System

Per lo scopo di indagare l&#39;evoluzione degli aggregati di polvere nei primi anni del Sistema Solare, abbiamo sviluppato due torri di caduta vuoto in cui aggregati di polvere fragili con dimensioni fino a circa 10 cm e porosità fino al 70% possono essere scontrati. Una delle torri di caduta viene utilizzato principalmente per la velocità d&#39;impatto molto in basso, al di sotto di 0.01 m / sec e si avvale di un meccanismo di doppia uscita. Le collisioni sono registrati in stereo-view da due telecamere ad alta velocità, che cadono lungo il tubo a vuoto di vetro nella cornice dei due aggregati di polvere centro-di-massa. L&#39;altra caduta libera torre fa uso di un acceleratore elettromagnetico che è in grado di accelerare dolcemente aggregati di polveri fino a 5 m / sec. In combinazione con l&#39;uscita di un altro aggregato polvere caduta libera, la collisione con velocità fino a ~ 10 m / sec può essere raggiunto. Qui, due telecamere fisse ad alta velocità registrano gli eventi di collisione. In entrambe le torri di goccia, gli aggregati di polvere sono in caduta libera durante l&#39;urto in modo che siano il peso e corrispondonocondizioni nei primi Sistema Solare.

Utilizzando i campioni di polvere di aggregazione ben caratterizzati descritti nel protocollo (vedi figure 1-3), le eventuali collisioni osservato in una delle torri di caduta laboratorio sarà fornire informazioni scientificamente preziose sui risultati di collisioni simili a dischi protoplanetari. Finora abbiamo investigato sistematicamente gli esiti di collisione di due centimetri dimensionati in aggregati sferici di polvere (con volume di riempimento fattori di 0,5) nel range di velocità tra 0,008 e 2,02 m / sec 13 e di 5 cm di dimensioni aggregati cilindrici di polvere (con il volume fattori di riempimento tra 0.3 e 0.5) nell&#39;intervallo di velocità tra 0,004 e 2 m / sec 12. Abbiamo trovato che rimbalza tra gli aggregati di polvere come il risultato dominante per velocità inferiori a ~ 0,4 m / sec per entrambi i tipi di aggregati di polveri (vedi Movie 6 per un esempio). In Figura 4 è mostrato il coefficiente di restituzione di queste collisioni rimbalza. I cerchi indicano gli esperimenti con 2campioni sferici di dimensioni cm 13 e triangoli rappresentano risultati di collisioni tra i 5 centimetri cilindri di polvere dimensioni con due imballaggio differente densità di 12. Sebbene i coefficienti di restituzione dei singoli esperimenti disperdono ampiamente, il valore medio del coefficiente di restituzione diminuisce con l&#39;aumentare della velocità di collisione. Entrambi gli aggregati di polvere tipicamente frammentano al momento dell&#39;impatto per velocità superiori a ~ 1 m / sec (vedi filmato 7 per un esempio). Per velocità tra ~ 0.4 e ~ 1 m / sec, si può verificare la frammentazione di uno solo dei due aggregati collisione polvere. In questo caso, la non frammentazione polvere aggregato guadagna una piccola percentuale di massa dal trasferimento di massa 13. I limiti di velocità sopra menzionati non sono nitide, ma indicano approssimativamente dove i confini tra i diversi regimi si trovano 2,11. Per le collisioni tra gli aggregati di polvere di diverse dimensioni e velocità moderate, gli impatti saranno generalmente non porterà t<html> o la frammentazione del più grande dei due aggregati di polvere. Al contrario, i corpi maggiori aumentano la loro massa mediante trasferimento di parte della massa dei dispositivi di simulazione più piccole (vedi film 8). Per i casi in cui i due aggregati di polvere rimbalzano l&#39;un l&#39;altro, il trasferimento dall&#39;energia cinetica traslazionale prima della collisione (che gli aggregati di polveri non ruotano prima dell&#39;urto) in energia cinetica traslazionale, energia cinetica rotazionale, e altri ( dissipativo) canali energetici (ad esempio, la compattazione degli aggregati di polveri) possono essere determinati. Abbiamo trovato che per urti centrali (in cui l&#39;energia di rotazione può essere trascurata) la relativa quantità di energia dissipata fortemente aumenta con l&#39;aumentare della velocità ed è maggiore per i fattori di riempimento di volume più basso della polvere aggregati 12. Questo comportamento può essere modellato da-simulazioni di dinamica molecolare 12. TTP :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Movie 1. movie ad alta velocità (riprodotto in slow motion) della particella-on-a-string ( in alto) e meccanismo di rilascio botola (in basso). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mold_cluster_cluster.MP4" target="_blank">Movie 2</a> . movie ad alta velocità (riprodotto in slow motion) del meccanismo di double trap-door release. Entrambi i campioni sono gruppi di Al 2 O 3 particelle di 2 mm di diametro, che rimangono confinati durante la caduta libera a causa del bassissimo disturbo durante il rilascio. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/scissor.MP4" target="_blank">Movie 3</a> . movie ad alta velocità (riprodotto in slow motion), della forbice tipo di meccanismo di doppia uscita. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/dw-trapdoor.MP4" target="_blank">Film</a>4. Movie ad alta velocità (riprodotto in slow motion), della botola meccanismo di rilascio a doppia ala. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/trigger.wmv" target="_blank">Movie 5</a> . Animazione dell&#39;elettronica timer di commutazione del meccanismo superiore e inferiore rilascio, nonché il rilascio fotocamera a caduta libera. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/9ms_2.MP4" target="_blank">Movie 6</a> . movie ad alta velocità (riprodotto in slow motion) di una collisione rimbalza tra due 5 cilindri di polvere-aggregate cm dimensioni. I due aggregati di polvere vengono rilasciati dalla forbice di tipo doppio meccanismo di sgancio e si scontrano con 0.09 m / sec di velocità. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/fragmentation.MP4" target="_blank">Movie 7</a> . movie ad alta velocità (riprodotto in slow motion) di due due centimetri-size aggregati cilindrici polvere colliding ad una velocità relativa di 7,4 m / sec. Entrambi gli aggregati frammentano completamente. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mass-transfer.MP4" target="_blank">Movie 8</a> . movie ad alta velocità (riprodotto in slow motion) di un aggregato 5 di polvere di dimensioni mm impatto un bersaglio solido di forma cilindrica 5 centimetri dimensioni. Poiché la velocità d&#39;impatto di 4,3 m / sec è superiore alla velocità frammentazione del piccolo aggregato polvere, questa rompe e trasferisce parte della sua massa al bersaglio, che è chiaramente visibile nel film. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/tracking_new.mov" target="_blank">Film 9</a> . Determinazione delle traiettorie delle particelle da un algoritmo semiautomatico particella-tracking. Qui, viene mostrata la collisione tra due 2 aggregati di polveri sferiche di dimensioni cm.

Vi presentiamo una tecnica per raggiungere bassa velocità di collisioni intermedia velocità tra aggregati di polvere fragili in laboratorio. A questo scopo, due configurazioni vuoto drop-torre sono stati sviluppati che consentono velocità di collisione tra &lt;0,01 e ~ 10 m / sec. Gli eventi di collisione vengono registrati da immagini ad alta velocità.

Laboratorio di goccia Torri per la simulazione sperimentale di collisioni Dust-aggregati nel sistema solare

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust ...

L'obiettivo generale di questa procedura è simulare sperimentalmente collisioni tra aggregati di polvere nel sistema solare primordiale e comprendere i primi passi della formazione dei pianeti. Questo viene raggiunto innanzitutto preparando due aggregati porosi di polvere, che rappresentano le particelle di polvere nel giovane sistema solare. Il secondo passo consiste nell'inserire entrambi gli aggregati di polvere in una delle torri di caduta del laboratorio, condizionata per generare una collisione tra gli aggregati di polvere in condizioni di microgravità.Successivamente, l'esperimento viene eseguito e telecamere ad alta velocità registrano la collisione tra i due aggregati di polvere. L'ultimo passaggio consiste nell'analisi della registrazione ad alta velocità dell'urto in relazione alla perdita di energia, al trasferimento di massa e alla frammentazione degli aggregati di polvere. Infine, questi risultati vengono utilizzati per sviluppare modelli fisici delle collisioni tra aggregati di polvere nel giovane sistema solare, necessari per la modellizzazione delle prime fasi della formazione dei pianeti.Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nel campo della formazione dei pianeti, ad esempio riguardo all'esito delle collisioni tra i blocchi costitutivi dei pianeti. Abbiamo concepito per la prima volta l'idea di questo metodo quando stavamo cercando mezzi per effettuare un elevato numero di collisioni a velocità molto bassa tra aggregati di polvere fragili. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti, come le strutture commerciali a microgravità, è che gli esperimenti possono essere eseguiti con maggiore frequenza e sono economicamente vantaggiosi in laboratorio.La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale poiché le fasi di preparazione del campione sono difficili da apprendere, dato che i campioni preparati sono molto fragili. Per iniziare, calcolare la quantità di materiale necessaria per la forma desiderata utilizzando l'equazione seguente. Setacciare una quantità sufficiente di materiale attraverso un setaccio da 0,5 millimetri C, e versare la massa calcolata in uno stampo.Quindi comprimere il materiale all'interno dello stampo spingendo manualmente un pistone fino a quando il campione non ha raggiunto i cinque centimetri. Infine, capovolgere lo stampo. Aprire la piastra di base ed espellere delicatamente il campione con il pistone.Per campioni sferici di particelle superiori, utilizzare il meccanismo di rilascio della particella su un filo. Per configurare questo tipo di rilascio, fissare la particella da rilasciare a un filo. Questa operazione viene eseguita durante la compressione del campione utilizzando un pistone con un passaggio per il filo.Tenere il filo in posizione serrandolo tra il magnete solenoide e il contrappeso in metallo solido per campioni sferici di particelle inferiori. Utilizzare il meccanismo di rilascio a sportellino. Iniziare posizionando la particella in uno stampo semisferico.Nel momento appropriato, applicare una corrente elettrica al magnete solenoide del meccanismo di rilascio superiore di seguito. Applicare una corrente elettrica per ruotare la botola verso il basso mediante un solenoide rotazionale quando si esaminano configurazioni più complesse, come ammassi di sfere; montare due meccanismi di rilascio con botola uno sopra l'altro. Una volta caricati entrambi i meccanismi della botola, applicare una corrente elettrica per rilasciare i campioni nei tempi corretti per campioni cilindrici.Montare un meccanismo a doppia liberazione di tipo a forbice al suo posto. Quindi posizionare delicatamente i campioni cilindrici sulle piastre di rilascio. Come in precedenza, applicare una corrente elettrica ai magneti solenoidi per rilasciare i campioni.Se un campione deve essere accelerato invece di cadere semplicemente in caduta libera, utilizzare un meccanismo di accelerazione delle particelle come un attuatore lineare azionato elettromagneticamente. Quando si testano campioni cilindrici in combinazione con l'accelerazione delle particelle, utilizzare il meccanismo di rilascio a doppia saracinesca. Posizionare il campione cilindrico di polvere sulla saracinesca chiusa.Quindi sbloccare la botola applicando una corrente elettrica all'elettromagnete. Osservare come le correnti parassite impediscono alla botola di rimbalzare all'interno del campione, consentendo una collisione a bassa velocità. Velocità di 0,09 metri al secondo.Posizionare una delle particelle di un centimetro nel meccanismo con particella su un filo e l'altra particella di un centimetro a sette millimetri di distanza nel meccanismo di rilascio a sportello. Chiudere quindi il tubo di vetro sotto vuoto. Aprire con attenzione la valvola verso le pompe per vuoto per iniziare l'evacuazione lenta dell'aria dal tubo.Successivamente, impostare il ritardo temporale dei meccanismi di rilascio a nove millisecondi. Ciò significa che prima verrà rilasciato l'aggregato di polvere superiore e nove millisecondi dopo la particella inferiore; la telecamera verrà rilasciata nel periodo intermedio. Successivamente, fissare le telecamere alle loro unità di rilascio e accendere l'illuminazione. Quindi avviare la registrazione continua.Quando si raggiunge il vuoto desiderato, inferiore a un millibar, premere il pulsante di rilascio per avviare la sequenza temporizzata al termine dell'esperimento; quindi scaricare le sequenze di immagini registrate dalle telecamere ad alta velocità su un computer. Preparare due campioni cilindrici di cinque centimetri di diametro e altezza per una collisione ad alta velocità, posizionando prima un campione sul meccanismo di rilascio a doppia saracinesca e l'altro sul supporto del campione dello stadio lineare acceleratore. Una volta posizionati i campioni, preparare la camera come in precedenza sigillando il tubo di vetro e aprendo la valvola del vuoto per rimuovere l'aria dal tubo.Quindi impostare i tempi del meccanismo di rilascio e dell'acceleratore lineare in base alle condizioni desiderate. Successivamente, accendere l'illuminazione appropriata e avviare la registrazione con la telecamera ad alta velocità. Una volta raggiunto il vuoto desiderato, inferiore a 0,01 millibar, premere il pulsante di rilascio per avviare l'urto al completamento.Scaricare le sequenze di immagini registrate dalle telecamere come in precedenza per aggregati di diverse dimensioni. Caricare il campione grande su un meccanismo di rilascio, quindi posizionare il campione più piccolo sul portacampione dell'acceleratore. Queste immagini di microscopia elettronica di particelle sferiche monodisperse e particelle di silice irregolari polidisperse illustrano le caratteristiche fisiche dei campioni utilizzati negli esperimenti nella torre di caduta del laboratorio.Gli aggregati di polvere possono essere realizzati in diverse dimensioni e forme, inclusi cilindri di polvere con diametri di un centimetro, due centimetri e cinque centimetri e sfere di polvere con diametri di un centimetro e due centimetri. Inoltre, è possibile utilizzare ammassi di sfere illuminate di dimensioni comprese tra due e tre millimetri, mediante la ricostruzione tomografica a raggi X della struttura interna di un campione cilindrico di aggregato di polvere. È chiaramente visibile che questo campione ad alta porosità è stato assemblato utilizzando aggregati di polvere di dimensioni comprese tra il millimetro e la polvere fine.La scala di grigi indica il fattore di riempimento volumetrico, ovvero il rapporto tra la densità di massa del campione e la densità di materiale delle particelle di polvere monomeriche. Le velocità di collisione con rimbalzo sono state analizzate tracciando nel tempo le posizioni delle particelle per determinare la velocità dopo e prima dell'urto. Il rapporto tra questi valori è chiamato coefficiente di restituzione e descrive la perdita di energia nella collisione. I coefficienti di restituzione analizzati sono riportati in funzione delle velocità di collisione. I dati relativi a polveri sferiche, aggregati e collisioni tra aggregati di polvere cilindrici mostrano una tendenza alla diminuzione del coefficiente di restituzione con l'aumento della velocità d'impatto. Una volta acquisita la padronanza, questa tecnica può essere eseguita in un'ora se effettuata correttamente. Lavorare con particelle di dimensioni micrometriche può essere estremamente pericoloso; pertanto, precauzioni come maschere protettive, guanti ed apposite cappe aspiranti devono essere sempre adottate durante la procedura.

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