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

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di simulare sperimentalmente le collisioni tra aggregati di polvere nel sistema solare primordiale e di comprendere le prime fasi della formazione dei pianeti. Ciò si ottiene preparando prima due aggregati di polvere porosa 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, che è stata condizionata per generare una collisione tra gli aggregati di polvere in condizioni di microgravità.

Successivamente, viene eseguito l'esperimento e le telecamere ad alta velocità registrano la collisione tra i due aggregati di polvere. La fase finale è l'analisi della registrazione ad alta velocità della collisione rispetto alla perdita di energia, al trasferimento di massa e alla frammentazione degli aggregati di polvere. In definitiva, questi risultati vengono utilizzati per sviluppare modelli fisici delle collisioni di aggregati di polvere nel giovane sistema solare, necessari per la modellazione delle prime fasi della formazione dei pianeti.

Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della formazione dei pianeti, come l'esito delle collisioni degli elementi costitutivi dei pianeti. Abbiamo avuto l'idea di questo metodo per la prima volta quando eravamo alla ricerca di mezzi per effettuare un gran numero di collisioni a bassissima velocità tra fragili aggregati di polvere. Il vantaggio principale di questa tecnica, rispetto ai metodi esistenti, come le strutture commerciali di microgravità, è che gli esperimenti possono essere eseguiti più frequentemente e sono efficienti in termini di costi in laboratorio.

La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale in quanto le fasi di preparazione del campione sono difficili da apprendere perché i campioni preparati sono molto fragili. Per iniziare, calcola la quantità di materiale necessaria per la forma desiderata utilizzando la seguente equazione. Setacciare una quantità sufficiente di materiale attraverso una maglia C da 0,5 millimetri e riempire la massa calcolata in uno stampo.

Successivamente comprimere il materiale all'interno dello stampo spingendo a mano un pistone fino a quando il campione non ha raggiunto i cinque centimetri. Infine, capovolgere lo stampo. Aprire la piastra di base e spingere delicatamente il campione verso l'esterno con il pistone.

Per i campioni di particelle superiori sferiche, utilizzare la particella su un meccanismo di rilascio a corda. Per impostare questo tipo di rilascio, attaccare la particella da rilasciare a una corda. Questo viene fatto durante la compressione del campione utilizzando un pistone con un passaggio per una corda.

Tenere la corda in posizione bloccandola tra il magnete del solenoide e il solido contatore in metallo per campioni di particelle inferiori sferiche. Utilizzare il meccanismo di sblocco della botola. Inizia posizionando la particella in uno stampo semisferico.

Al momento opportuno, applicare di seguito una corrente elettrica al magnete del magnete del meccanismo di rilascio superiore. Applicare una corrente elettrica per ruotare la botola verso il basso utilizzando un solenoide rotazionale quando si esaminano disposizioni più complesse come gruppi di sfere montate due meccanismi di rilascio della botola uno sopra l'altro. Una volta caricati entrambi i meccanismi della botola, applicare una corrente elettrica per rilasciare i campioni nei momenti corretti per i campioni cilindrici.

Montare un meccanismo a doppio sgancio a forbice in posizione. Quindi posizionare delicatamente i campioni cilindrici sulle piastre di rilascio. Come in precedenza, applicare una corrente elettrica ai magneti del solenoide per rilasciare i campioni.

Se un campione sarà accelerato invece di cadere semplicemente in caduta libera, utilizzare un meccanismo di accelerazione delle particelle come uno stadio lineare azionato elettromagneticamente. Quando si testano campioni cilindrici in combinazione con l'accelerazione delle particelle, utilizzare il meccanismo di sblocco della botola a doppia anta. Posizionare il campione di polvere cilindrico sulla botola chiusa.

Quindi sbloccare la botola applicando una corrente elettrica al magnete solenoide. Si noti come le interruzioni a correnti parassite impediscano alla porta di rimbalzare nel campione per ottenere una collisione a bassa velocità. Velocità di 0,09 metri al secondo.

Posiziona una delle particelle di un centimetro nella particella su un meccanismo a corda e l'altra particella di un centimetro a sette millimetri di distanza nel meccanismo di rilascio della botola. Quindi chiudere il tubo di vetro sottovuoto. Aprire con cautela la valvola delle pompe a vuoto per avviare la lenta evacuazione dell'aria nel tubo.

Quindi, impostare il ritardo dei meccanismi di rilascio su nove millisecondi. Ciò significa che prima verrà rilasciato l'aggregato di polvere superiore e nove millisecondi dopo la particella inferiore, la fotocamera verrà rilasciata tra il prossimo collegare le telecamere alle loro unità di rilascio e accendere l'illuminazione. Quindi avviare la registrazione continua.

Quando viene raggiunto il vuoto desiderato migliore di un millibar, premere il pulsante di rilascio per avviare la sequenza del timer al termine dell'esperimento, 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 caricando prima un campione sul meccanismo di rilascio della botola a doppia ala e l'altro sul supporto del campione dell'acceleratore dello stadio lineare. Una volta posizionati i campioni, preparare la camera come prima sigillando il tubo di vetro e aprendo la valvola del vuoto per rimuovere l'aria dal tubo.

Quindi impostare la temporizzazione del meccanismo di sgancio e dell'acceleratore lineare in base alle condizioni desiderate. Quindi, accendi l'illuminazione appropriata e avvia la registrazione con la fotocamera ad alta velocità. Una volta raggiunto il vuoto desiderato migliore di 0,01 millibar, premere il pulsante di rilascio per avviare la collisione al termine.

Scarica le sequenze di immagini registrate dalle telecamere come prima per aggregati di diverse dimensioni. Caricare il campione grande su un meccanismo di rilascio, quindi posizionare il campione più piccolo sul supporto del campione dell'acceleratore. Queste immagini al microscopio elettronico delle particelle di silice mono disperse sferiche e polidisperse irregolari illustrano le caratteristiche fisiche dei campioni utilizzati negli esperimenti della torre di caduta in laboratorio.

Gli aggregati di polvere possono essere realizzati in campioni di varie 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 cluster di sfere luminose di due o tre millimetri utilizzando 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 dimensioni millimetriche per spolveri.

La scala di grigi denota il fattore di riempimento del volume, il rapporto tra la densità di massa del campione e la densità del materiale delle particelle di polvere monomerica che rimbalzano Le velocità di collisione sono state analizzate tracciando le posizioni delle particelle nel tempo per derivare la velocità dopo e prima della collisione. Il rapporto di questi valori è chiamato coefficiente di restituzione e descrive la perdita di energia nella collisione. I coefficienti di restituzione analizzati sono confrontati con le velocità di collisione.

I dati per la polvere sferica, gli aggregati e le collisioni tra aggregati di polvere cilindrica mostrano una tendenza di un coefficiente di restituzione decrescente con l'aumentare della velocità di impatto Una volta padroneggiato. Questa tecnica può essere eseguita in un'ora se eseguita correttamente. Lavorare con particelle di dimensioni micrometriche può essere estremamente pericoloso, quindi durante la procedura dovrebbero essere sempre prese precauzioni come maschere protettive, guanti e cappe aspiranti come questa.