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

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.