Laboratoryjne wieże zrzutowe do eksperymentalnej symulacji zderzeń pyłu z agregatem we wczesnym Układzie Słonecznym

Podsumowanie

Prezentujemy w laboratorium technikę osiągania zderzeń między delikatnymi agregatami pyłu o niskiej i średniej prędkości. W tym celu opracowano dwie konfiguracje próżniowo-wieżowe, które pozwalają na prędkości zderzeń od <0,01 do ~10 m/s. Zdarzenia zderzeniowe są rejestrowane za pomocą obrazowania z dużą prędkością.

Streszczenie

W celu zbadania ewolucji agregatów pyłowych we wczesnym Układzie Słonecznym, opracowaliśmy dwie wieże próżniowe, w których mogą się zderzać delikatne agregaty pyłu o rozmiarach do ~10 cm i porowatości do 70%. Jedna z wież zrzutowych jest używana przede wszystkim do bardzo niskich prędkości uderzenia poniżej 0,01 m/s i wykorzystuje mechanizm podwójnego zwalniania. Zderzenia są rejestrowane w widoku stereo przez dwie szybkie kamery, które spadają wzdłuż szklanej rury próżniowej w środku masy dwóch agregatów pyłowych. Druga wieża swobodnego spadania wykorzystuje akcelerator elektromagnetyczny, który jest w stanie delikatnie rozpędzić agregaty pyłu do 5 m/s. W połączeniu z uwolnieniem innego agregatu pyłu do swobodnego spadania, można osiągnąć prędkość zderzenia do ~10 m/s. W tym przypadku dwie stałopozycyjne kamery o dużej szybkości rejestrują zdarzenia kolizji. W obu wieżach zrzutowych agregaty pyłu spadają swobodnie podczas zderzenia, dzięki czemu są nieważkie i odpowiadają warunkom panującym we wczesnym Układzie Słonecznym.

Wprowadzenie

Ogólnie przyjmuje się, że formowanie się planet zaczyna się od niegrawitacyjnej akumulacji mikroskopijnie małych ziaren pyłu w większe agregaty pyłu (zobacz recenzję Blum & Wurm)¹. Cząstki pyłu zderzają się w swoich dyskach protoplanetarnych z powodu ruchów Browna, względnych ruchów dryfu i turbulencji gazu mgławicowego (zobacz przegląd Johansena i wsp.)². Jeśli prędkości zderzenia są wystarczająco niskie, cząsteczki pyłu sklejają się ze sobą, tworząc większe aglomeraty. Liczne pomiary laboratoryjne przeprowadzone w ciągu ostatnich lat doprowadziły do powstania modelu zderzenia pył-agregat, który przewiduje wynik pary agregatów pyłowych o dowolnych masach i prędkościach zderzeń³. Podstawowe wyniki kolizji to przywieranie (ogólnie dla małych zagregowanych mas i niskich prędkości zderzenia), odbijanie i fragmentacja (dla dużych prędkości zderzenia). Jednak przejścia między tymi fazami nie są ostre i istnieją inne skutki, takie jak np. transfer masy lub erozja. Zastosowanie tego modelu do typowego dysku protoplanetarnego pozwala przewidzieć wzrost agregatów pyłu o rozmiarach cm w ciągu kilku^{tysięcy lat4}. Obecność agregatów pyłowych o rozmiarach cm była szeroko badana w ramach obserwacji astronomicznych w ciągu ostatnich lat i obecnie może być uważana za ustaloną (patrz przegląd Testi i wsp.)⁵ Tak więc dochodzimy do wniosku, że główny mechanizm, za pomocą którego powstają pierwsze ciała makroskopowe w młodych układach planetarnych, został zidentyfikowany.

Jednak dalszy wzrost do ciał o rozmiarach co najmniej kilometrowych nie jest tak jasny. Dla obszaru planet skalistych obecnie dyskutowane są dwie hipotezy (zobacz także ostatnie przeglądy na ten temat autorstwa Johansena i wsp.² oraz Testi i wsp.⁵): (i) zagęszczenie agregatów pyłowych o rozmiarach cm, poprzez np. niestabilność strumienia⁶ i następujące po nim grawitacyjne kolaps^7,8 oraz (ii) wyrostanie się kilku "szczęśliwych zwycięzców" do większych rozmiarów z późniejszą akrecją masy w procesie transferu masy^9,10,11. W obu modelach agregaty pyłu o rozmiarach cm ulegają ogromnej liczbie wzajemnych zderzeń przy niskich lub umiarkowanych prędkościach. Nie jest jasne, jakie są możliwe skutki tych zderzeń (poza odbijaniem się).

Aby ulepszyć model kolizji pyłu i agregatu przez Güttlera i wsp.³ Aby dokładniej zbadać zderzenia makroskopowych agregatów pyłu w odpowiednich reżimach prędkości, ustawiliśmy w naszym laboratorium dwie wieże zrzutowe, w których poszczególne zderzenia agregat-agregat mogą być badane bardzo szczegółowo w warunkach próżni i mikrograwitacji. Obie wieże zrzutowe mają wysokość swobodnego spadania wynoszącą 1,5 m, co ogranicza czas obserwacji do ~0,5 sek. W ten sposób obserwujemy kolizje szybkich kamer o formacie megapikselowym i do 7 500 klatek na sekundę. Aby uzyskać maksymalny kontrast i wysokie prędkości nagrywania, wybrano oświetlenie jasnego pola. Oświetlenie jest więc zapewnione przez panele LED o dużej intensywności i homogenizowane przez ekrany dyfuzorów. W ten sposób szybkie kamery widzą zderzające się ze sobą agregaty pyłu jako ciemne obiekty przed podświetlanym ekranem. Aby uniknąć migotania, diody LED są zasilane prądem stałym.

Aby osiągnąć niskie prędkości zderzeń, dwa agregaty pyłu są umieszczane jeden nad drugim w podwójnym mechanizmie uwalniania. Uwolnienie górnego agregatu o czas t przed dolnym powoduje, że prędkość względna wynosi v = g t, gdzie g = 9,81 m/s² to przyspieszenie grawitacyjne Ziemi. Dwie szybkie kamery, które obserwują zderzenie z dwóch kierunków oddalonych od siebie o 90°, są zwykle uwalniane pomiędzy dwoma agregatami pyłu (zwykle t/2 po górnej cząstce). Kamery działają w trybie nagrywania ciągłego, który kończy się uderzeniem uchwytów kamery w wiadra z piaskiem. Maksymalna liczba klatek na sekundę w tym trybie operacyjnym wynosi 1,000 obrazów na sekundę w rozdzielczości megapikselowej. Dzięki tej konfiguracji osiągnięto prędkości poniżej 0,01 m/s. Ze względu na ograniczenia mechaniczne układu mechanizmu podwójnego zwalniania, maksymalna względna prędkość zderzenia wynosi ~3 m/sek. W tej wieży zrzutowej badano kolizje z udziałem agregatów pyłowych o wielkości do 5 cm. W przypadku wyższych prędkości zderzeń do ~10 m/s stosuje się drugą wieżę zrzutową, która jest wyposażona w akcelerator elektromagnetyczny, który jest w stanie płynnie przyspieszać agregaty pyłu do 5 m/s w pionowym kierunku w górę. Drugie agregaty pyłowe są utrzymywane przez dwuskrzydłowy mechanizm zwalniający klapę i mogą być w dowolnym momencie wypuszczone bez obrotu do swobodnego spadania. Tutaj nie ma sensu używać kamer swobodnie spadających. Używamy raczej dwóch stacjonarnych kamer o dużej prędkości do 7 500 klatek na sekundę i rozdzielczości megapikselowej. Ze względu na większą średnicę tej wieży zrzutowej można stosować agregaty pyłowe o wielkości do (a nawet powyżej) 10 cm.

Protokół

OSTRZEŻENIE: W zależności od stopnia szkodliwości stosowanych cząstek, informacje o których znajdują się w odpowiednich Kartach Charakterystyki, osoba pracująca z pyłem musi stosować ochronę dróg oddechowych i sprzęt ochronny. Zaleca się również stosowanie systemu odsysającego w celu utrzymania powietrza w otoczeniu wolnego od pyłu.

1. Przygotowanie próbek agregatów pyłu o rozmiarach centymetrowych

1. Oblicz ilość wymaganego materiału, korzystając ze wzoru m = Φ ρ₀ V, gdzie m to wymagana masa, Φ to pożądany stopień wypełnienia objętościowego (stopień wypełnienia objętościowego = 1 - porowatość), ρ₀ to gęstość materiału, a V to objętość próbki. Aby uzyskać porowatość próbki na poziomie 70% (stopień wypełnienia objętościowego = 0,3) dla próbki cylindrycznej o średnicy i wysokości odpowiednio 5 cm, wymagane jest 77 g nieregularnego pyłu krzemianowego (ρ₀ = 2,6 g/cm³).
   Uwaga: Formowanie się planet skalistych rozpoczyna się od koagulacji mikrometrycznych ziaren pyłu – składających się głównie z krzemianów – w porowate ciała o rozmiarach centymetrowych. Dobrze przebadanym i odpowiednim laboratoryjnym materiałem analogowym jest SiO₂, który jest dostępny jako proszek o nieregularnych kształtach z rozkładem wielkości cząstek od 0,5 do 10 µm, a także w formie monodyspersyjnych ziaren sferycznych dla lepszej porównywalności z modelami teoretycznymi (patrz Tabela 1 i Rysunek 1).

SiO2-typ ziarna monomeru	Producent	Średnica cząsteczek	Kształt cząstek	Przykładowa rycina
Monodyspersyjny	Micromod	1.52 ± 0.06 µm	Sferyczny	Rysunek 1 (lewo)
Polidyspersyjny	Sigma-Aldrich	0.1 – 10 µm	Nieregularny	Rysunek 1 (prawo)

Tabela 1. Charakterystyka cząsteczek SiO₂ wykorzystanych w eksperymentach z kolizjami pyłu z aglomeratami.

Rysunek 1. Obrazy z mikroskopii elektronowej monodyspersyjnych (po lewej) i polydyspersyjnych (po prawej) cząstek SiO₂ użytych do produkcji makroskopowych agregatów pyłu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

2. Pobierz pojemnik z cząsteczkami SiO₂ o rozmiarach mikrometrycznych (patrz Tabela 1) i wysyp jego zawartość na sito o oczkach o rozmiarze 0.5 mm. Przesiej odpowiednią ilość materiału i wsyp obliczoną masę do formy. Ściśnij materiał w formie, wpychając tłok ręcznie, aż do osiągnięcia wymaganej wysokości próbki (np. 5 cm). Obróć formę wraz z tłokiem, otwórz płytkę podstawową i delikatnie wypchnij próbkę.
   Uwaga: Próbki mogą być wytwarzane w różnych kształtach (kulistych i cylindrycznych), rozmiarach (od 1 mm do 10 cm) i porowatościach (od 60 do 85%) (patrz Rysunek 3). Próbki te mogą być następnie wykorzystywane pojedynczo w eksperymentach kolizyjnych lub łączone w klastry, które następnie zderzają się z innymi agregatami lub klastrami.

Rycina 2. Fotografia zróżnicowania rozmiarów i kształtów próbek agregatów pyłowych. Przedstawiono następujące próbki: cylindry pyłowe o średnicach 1 cm, 2 cm i 5 cm (tylny rząd), sfery pyłowe o średnicach 1 cm i 2 cm (środkowy rząd) oraz sfery Al₂O₃ o rozmiarze 2-3 mm (przód). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

3. Scharakteryzuj próbki pod kątem porowatości i homogeniczności. Jeśli próbki wykraczają poza dopuszczalne marginesy, przygotuj nowe próbki.
   1. Aby określić porowatość próbki pyłu, należy wyznaczyć jej objętość poprzez pomiar wymiarów oraz jej masę za pomocą wagi precyzyjnej.
   2. Zastosuj tomografię rentgenowską (XRT)¹² w celu uzyskania informacji na temat homogeniczności i rozkładu wielkości porów otrzymanej próbki.
      Uwaga: W przypadku agregatów pyłowych o rozmiarze 5 cm stwierdzono odchylenia od średniego współczynnika wypełnienia objętościowego, t. j. stosunek gęstości masy próbki do gęstości materiałowej cząstek pyłu monomerowego, wynoszący zaledwie około 1% wewnątrz objętości próbek i nieco większy wzrost współczynnika wypełnienia objętości do 8% w kierunku zewnętrznych granic¹². Rysunek 3 przedstawia rekonstrukcję XRT przekroju przez cylindryczny agregat pyłu o średnicy 5 cm i wysokości 5 cm. Nie stosujemy XRT dla każdego agregatu pyłu, lecz badamy strukturę wewnętrzną i jednorodność losowych próbek.

Rycina 3. Rekonstrukcja struktury wewnętrznej cylindrycznej próbki z agregatu pyłowego o wysokości 5 cm i średnicy 5 cm po analizie XRT. Skala szarości oznacza współczynnik wypełnienia objętościowego, który jest stosunkiem gęstości masy próbki do gęstości materiału cząstek monomeru i pyłu. Z rekonstrukcji XRT wyraźnie wynika, że ta próbka o wysokiej porowatości została złożona z agregatów pyłowych o rozmiarach milimetrowych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

2. Zasada działania zestawu wieży zrzutowej

1. Mechanizmy uwalniania:
   W górnej części wieży spadkowej zamocowane są dwa mechanizmy uwalniające, jeden nad drugim. Każdy z nich utrzymuje próbkę i uwalnia ją w swobodny spadek. Różnica czasu między uwolnieniem górnej a dolnej cząstki określa względną prędkość kolizji. W zależności od morfologii i kształtu cząstek wybierane są odpowiednie mechanizmy uwalniania. W przypadku zastosowania mechanizmu przyspieszania cząstek wymagany jest tylko jeden mechanizm uwalniający.
   1. Mechanizm uwalniania cząstki na nici (próbki sferyczne, górna cząstka):
      Ten mechanizm uwalniający składa się z liniowego elektromagnesu i stałego metalowego elementu przeciwnego.
      1. Przymocuj uwalnianą cząstkę do nici. Utrzymaj nić na miejscu, zaciskając ją pomiędzy elektromagnesem a stałym metalowym elementem przeciwnym.
      2. Aby uwolnić cząstkę, przyłóż prąd elektryczny do elektromagnesu (patrz Film 1).
   2. Mechanizm uwalniania z zapadką (próbki sferyczne, dolna cząstka):
      Ten mechanizm uwalniający składa się z obrotowego elektromagnesu, do którego przymocowany jest uchwyt na cząstkę.
      1. Umieść cząstkę w półsferycznej formie, która po przyłożeniu prądu elektrycznego jest obracana w dół przez obrotowy elektromagnes (patrz Film 1).
      2. Mechanizm ten może być również stosowany do uwalniania klastrów cząstek lub skupisk agregatów. W tym drugim przypadku zamontuj dwa mechanizmy uwalniania z zapadką jeden nad drugim (patrz Film 2).
   3. Podwójny mechanizm uwalniający typu nożycowego (próbki cylindryczne):
      Ten mechanizm uwalniający składa się z dwóch par obrotowych elektromagnesów, do których przymocowany jest metalowy pręt. Dwa elektromagnesy każdego mechanizmu uwalniającego są rozmieszczone tak, aby dwa metalowe pręty były równoległe.
      1. Umieść dwie próbki na dwóch równoległych prętach.
      2. Przyłóż prąd elektryczny do dwóch obrotowych elektromagnesów, aby uwolnić cząstki w swobodny spadek (patrz Film 3).
   4. Mechanizm uwalniania z zapadką dwuskrzydłową (próbki cylindryczne, w połączeniu z mechanizmem przyspieszania cząstek):
      Ten mechanizm uwalniający składa się z dwóch sprężynowych metalowych płytek, które razem tworzą uchwyt na cząstkę w kształcie litery V. Dwie metalowe płytki są utrzymywane na miejscu przez metalowy pręt przymocowany do obrotowego elektromagnesu.
      1. Umieść cylindryczną próbkę pyłu na zamkniętej zapadce.
      2. Odblokuj zapadkę, przykładając prąd elektryczny do elektromagnesu. Aby uniknąć odbicia skrzydeł, są one zatrzymywane przez hamulce prądów wirowych (patrz Film 4).
         Uwaga: Ważne jest, aby uwalniać cząstki w swobodny spadek bez prędkości początkowej i rotacji. W tym celu opracowano kilka mechanizmów uwalniania (2.1.1 – 2.1.4).
2. Mechanizmy przyspieszania cząstek:
   Przyspieszają cząstki za pomocą wstępnie napiętej sprężyny lub liniowego modułu napędzanego elektromagnetycznie. Oba akceleratory mogą być wyposażone w uchwyty na próbki dla cząstek o różnych kształtach.


3. Elektronika sterująca:
   Ustaw timer i elektronikę uwalniania na odpowiednie wartości, aby uzyskać pożądaną prędkość kolizji i obsługiwać kamerę w układzie środka masy.
   Uwaga: Synchronizacja uwalniania cząstek, ich przyspieszania oraz wyzwalania kamery jest realizowana przez zestaw timerów elektronicznych, których funkcjonalność wyjaśniono w Filmie 5.

3. Przeprowadzanie eksperymentów

1. Kolizje o niskiej prędkości (mała wieża spadkowa):
   1. Umieść próbki w nożycowym podwójnym mechanizmie zwalniającym i zamknij szklaną rurę próżniową.
   2. Rozpocznij ewakuację powietrza i ustaw parametry czasomierza.
   3. Zamocuj kamery do ich magnetycznych jednostek zwalniających. Rozpocznij ciągłe nagrywanie obrazu.
      Uwaga: Dzięki wysokiej intensywności oświetlenia w jasnym polu LED można dobrać odpowiednio krótki czas ekspozycji kamery wysokich prędkości, tak aby ruch cząstek podczas naświetlania był pomijalny. Ponadto wartość przysłony (f-stop) obiektywu kamery musi być ustawiona na poziomie wystarczająco wysokim, aby zapewnić odpowiednią głębię ostrości obejmującą całą średnicę wieży spadkowej.
   4. Po osiągnięciu pożądanej jakości próżni włącz oświetlenie, naciśnij przycisk start i pobierz sekwencje obrazów.
2. Kolizje o wysokiej prędkości (duża wieża spadkowa):
   1. Umieść próbki w dwuskrzydłowym zapadkowym mechanizmie zwalniającym i akceleratorze, a następnie zamknij szklaną rurę próżniową.
   2. Rozpocznij ewakuację powietrza i ustaw parametry czasomierza.
   3. Rozpocznij ciągłe nagrywanie obrazu. Po osiągnięciu pożądanej jakości próżni włącz oświetlenie i naciśnij przycisk start. Pobierz sekwencje obrazów.
      Uwaga: Dzięki wysokiej intensywności oświetlenia w jasnym polu LED można dobrać odpowiednio krótki czas ekspozycji kamery wysokich prędkości, tak aby ruch cząstek podczas naświetlania był pomijalny. Ponadto wartość przysłony (f-stop) obiektywu kamery musi być ustawiona na poziomie wystarczająco wysokim, aby zapewnić odpowiednią głębię ostrości obejmującą całą średnicę wieży spadkowej.

4. Przykładowe eksperymenty

1. Ostrożnie załaduj próbki do odpowiedniego mechanizmu uwalniającego.
   1. Kolizje o niskiej prędkości (podwójny mechanizm uwalniający; 0,09 m/sec): 5 cm vs. 5 cm, odbicie.
      Załaduj próbki do dwóch mechanizmów uwalniających typu nożycowego. Aby osiągnąć prędkości kolizji rzędu 0,09 m/sec, umieść cząstki w odległości 7 mm od siebie i ustaw opóźnienie czasowe mechanizmów uwalniających na 9 msec.
      Uwaga: Przy tej prędkości uderzenia próbki pyłu odbijają się od siebie po kolizji. Sekwencja obrazów jest rejestrowana przez spadającą swobodnie kamerę wysokich prędkości (patrz Movie 6).
   
   
   2. Kolizje o wysokiej prędkości (akcelerator elektromagnetyczny; 7,4 m/sec): 2 cm vs. 2 cm, fragmentacja.
      Załaduj jedną próbkę do dwuskrzydłowego mechanizmu uwalniającego w formie zapadni; drugą próbkę umieść na uchwycie próbki akceleratora liniowego.
      Uwaga: Aby osiągnąć prędkości kolizji rzędu 7,4 m/sec, dolny agregat pyłu jest płynnie przyspieszany w górę z przyspieszeniem 2 g, podczas gdy jednocześnie górny agregat pyłu spada. Przy prędkości względnej 7,4 m/sec próbki pyłu ulegają fragmentacji (patrz Movie 7).
   
   
   3. Kolizja o wysokiej prędkości małych agregatów z dużymi agregatami: 0,5 cm vs. 5 cm, transfer masy.
      Załaduj dużą próbkę do mechanizmu uwalniającego typu nożycowego; mniejszą próbkę umieść na uchwycie próbki akceleratora sprężynowego.
      Uwaga: Aby osiągnąć prędkości kolizji wymagane do transferu masy, dolny agregat pyłu jest płynnie przyspieszany w górę, podczas gdy jednocześnie górny agregat pyłu spada. Przy tej prędkości względnej mniejsza próbka fragmentuje i przekazuje niewielką ilość masy na większą próbkę. Ponieważ kamera spada wraz z górną (bardziej masywną) cząstką, obrazy zarejestrowane przez kamerę wysokich prędkości sprawiają wrażenie, że duża cząstka pozostaje w miarę spoczynku (patrz Movie 8), co nie jest prawdą z perspektywy zewnętrznej wieży spadania.
2. Zamknij szklaną rurkę próżniową.
3. Ostrożnie otwórz zawór próżniowy prowadzący do pomp, aby rozpocząć powolne odsysanie powietrza, i ustaw parametry czasomierza na wymaganą różnicę czasu dla pożądanej prędkości kolizji.
4. Przymocuj kamery do ich jednostek uwalniających (jeśli stosowane są kamery spadające swobodnie). Rozpocznij ciągły zapis z kamer i włącz oświetlenie.
5. Po osiągnięciu pożądanej jakości próżni naciśnij przycisk uwalniający, aby zainicjować sekwencję czasomierza.
6. Pobierz sekwencje obrazów zarejestrowane przez kamery wysokich prędkości na komputer.

5. Analiza danych

1. Wybierz odpowiednią wartość progu szarości pomiędzy tłem a wartością szarości obiektów. Utwórz obraz binarny na podstawie tego progu, ustawiając piksele o wartościach szarości powyżej progu na biało (wartość binarna 1), a piksele o niższych wartościach szarości na czarno (wartość binarna 0).
2. Wyznacz położenie środka masy cząstek na każdym z obrazów. Dobrym przybliżeniem do wyznaczenia środka masy dla cząstek symetrycznych jest środek rzutowanego obszaru. Jest on obliczany na podstawie obrazów binarnych.
3. Wykorzystaj względne położenie środków mas obiektów oraz informacje o czasie z obrazów z kamery, aby obliczyć prędkość względną (patrz Movie 9). Nachylenia krzywej położenia są pokazane po prawej stronie w Movie 9.
   1. W przypadku zderzenia z odbiciem wyznacz prędkości względne przed i po kontakcie. Oblicz współczynnik restytucji, t.j. stosunek prędkości po zderzeniu do prędkości przed zderzeniem. Przedstaw zależność prędkości względnej od współczynnika restytucji. Przykład takiej analizy pokazano na Figure 4.

Rycina 4. Przykład analizy kolizji sprężystych. Współczynnik odbicia, tj. stosunek prędkości odbicia do prędkości uderzenia, przedstawiono jako funkcję prędkości kolizji. Koła reprezentują dane dla sferycznych agregatów pyłu o średnicy 2 cm¹³ (patrz Rycina 2), trójkąty oznaczają kolizje między cylindrycznymi agregatami pyłu o średnicy 5 cm i wysokości 5 cm (patrz Rycina 2) przy dwóch różnych współczynnikach wypełnienia objętości wynoszących odpowiednio 0,3 i 0,4¹². Dane wskazują na tendencję spadku współczynnika odbicia wraz ze wzrostem prędkości uderzenia. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

2. Jeśli jedna lub obie cząstki ulegną fragmentacji, należy wyznaczyć rozmiary jak największej liczby największych fragmentów, mierząc ich odpowiednie pola rzutu i przyjmując odpowiednie kształty.
   1. W przypadku fragmentacji tylko jednej cząstki zazwyczaj dochodzi do przekazania pewnej ilości jej masy do cząstki ocalałej. Należy wyznaczyć ilość przekazanej masy poprzez pomiar przyrostu objętości, przyjmując odpowiedni kształt i porowatość w celu ilościowego określenia wydajności transferu masy.

Wyniki

Korzystając z dobrze scharakteryzowanych próbek pyłu opisanych w protokole (zobacz Rysunki 1-3), każde zderzenie zaobserwowane w jednej z laboratoryjnych wież zrzutowych dostarczy naukowo cennych informacji na temat wyników podobnych zderzeń w dyskach protoplanetarnych. Do tej pory systematycznie badaliśmy wyniki zderzeń sferycznych agregatów pyłu o wielkości 2 cm (o współczynniku wypełnienia objętościowego 0,5) w zakresie prędkości od 0,008 do 2,02 m/s¹³ oraz cylindrycznych agregatów pyłu o wielkości 5 cm (o współczynnikach wypełnienia objętościowego od 0,3 do 0,5) w zakresie prędkości od 0,004 do 2 m/s¹². Stwierdziliśmy, że odbijanie się między agregatami pyłu jest dominującym wynikiem dla prędkości poniżej ~0,4 m/s dla obu typów agregatów pyłowych (patrz film 6 dla przykładu). Na rysunku 4 pokazany jest współczynnik restytucji tych odbijających się zderzeń. Okręgi oznaczają eksperymenty z próbkami sferycznymi o wielkości 2 cm¹³, a trójkąty reprezentują wyniki zderzeń między cylindrami pyłowymi o wielkości 5 cm i dwóch różnych gęstościach upakowania¹². Chociaż współczynniki restytucji poszczególnych eksperymentów są bardzo rozproszone, średnia wartość współczynnika restytucji maleje wraz ze wzrostem prędkości zderzenia.

Oba agregaty pyłu zazwyczaj rozpadają się przy uderzeniu z prędkościami powyżej ~1 m/s (zobacz przykład w filmie 7). Przy prędkościach od ~ 0,4 do ~1 m/s może dojść do fragmentacji tylko jednego z dwóch zderzających się agregatów pyłu. W tym przypadku nierozdrobnione agregaty pyłowe uzyskują kilka procent masy poprzez transfer masy¹³. Wyżej wymienione granice prędkości nie są ostre, ale wskazują w przybliżeniu, gdzie leżą granice między różnymi reżimami^2,11. W przypadku zderzeń między agregatami pyłu o różnych rozmiarach i umiarkowanych prędkościach, uderzenia na ogół nie prowadzą do fragmentacji większego z dwóch agregatów pyłu. Z drugiej strony, większe ciała zwiększają swoją masę poprzez przeniesienie części masy mniejszych impaktorów (patrz film 8).

Dla przypadków, w których dwa agregaty pyłu odbijają się od siebie, transfer z translacyjnej energii kinetycznej przed zderzeniem (pamiętaj, że agregaty pyłu nie obracają się przed zderzeniem) do translacyjnej energii kinetycznej, rotacyjnej energii kinetycznej i innych (rozpraszających) kanałów energii (np.zagęszczenie agregatów pyłowych) można określić. Odkryliśmy, że w przypadku zderzeń centralnych (w których energia rotacji może być pominięta) względna ilość rozproszonej energii silnie wzrasta wraz ze wzrostem prędkości i jest wyższa dla niższych współczynników wypełnienia objętości agregatów pyłowych¹². Zachowanie to można modelować za pomocą symulacji dynamiki molekularnej¹².

Film 1. Film z dużą szybkością (odtwarzany w zwolnionym tempie) przedstawiający cząstkę na sznurku (na górze) i mechanizm zwalniający klapę (na dole).

Film 2. Film z dużą szybkością (odtwarzany w zwolnionym tempie) przedstawiający podwójny mechanizm zwalniania klapy. Obie próbki są grudkami cząstek Al₂O₃ o średnicy 2 mm, które pozostają zamknięte podczas swobodnego spadania ze względu na wyjątkowo niskie zakłócenia podczas uwalniania.

Film 3. Szybki film (odtwarzany w zwolnionym tempie) z mechanizmem podwójnego zwalniania typu nożycowego.

Film 4. Film z dużą prędkością (odtwarzany w zwolnionym tempie) przedstawiający dwuskrzydłowy mechanizm zwalniania klapy.

Film 5. Animacja elektroniki timera przełączającej górny i dolny mechanizm zwalniający oraz zwalnianie kamery na swobodne spadanie.

Film 6. Film z dużą szybkością (odtwarzany w zwolnionym tempie) przedstawiający podskakujące zderzenie dwóch cylindrów pyłu o wielkości 5 cm. Dwa agregaty pyłu są uwalniane przez nożycowy mechanizm podwójnego zwalniania i zderzają się z prędkością 0,09 m/s.

Film 7. Film z dużą szybkością (odtwarzany w zwolnionym tempie) przedstawiający dwa cylindryczne agregaty pyłu o wielkości 2 cm zderzające się ze sobą z prędkością względną 7,4 m/s. Oba agregaty ulegają całkowitej fragmentacji.

Film 8. Film z dużą szybkością (odtwarzany w zwolnionym tempie) przedstawiający agregat pyłu o średnicy 5 mm uderzający w cylindryczną bryłę o średnicy 5 cm. Ponieważ prędkość uderzenia wynosząca 4,3 m/s jest wyższa od prędkości rozdrobnienia małego agregatu pyłowego, rozpada się on i przenosi część swojej masy na cel, co jest wyraźnie widoczne na filmie.

Film 9. Wyznaczanie trajektorii cząstek za pomocą półautomatycznego algorytmu śledzenia cząstek. Na zdjęciu pokazane jest zderzenie dwóch sferycznych agregatów pyłu o rozmiarach 2 cm.

Dyskusja

Ze względu na wysoką precyzję mechaniczną, awaryjność obu wież zrzutowych jest wyjątkowo niska. Ma to ogromne znaczenie, ponieważ przygotowanie próbki może trwać nawet kilka godzin, w zależności od wielkości, kształtu i porowatości pożądanych agregatów pyłu. Należy wspomnieć, że duże agregaty pyłowe o bardzo dużej porowatości są niezwykle kruche, a co za tym idzie trudne w obsłudze. Może się zdarzyć, że te agregaty pyłu pękną podczas ekstrakcji z formy lub przeniosą się do wieży zrzutowej. W takich przypadkach należy przygotować nową próbkę. Dlatego ważne jest, aby mała wieża zrzutowa umożliwiała niezawodne (i przewidywalne) prędkości zderzeń do 0,01 m/s ^11,13. Najniższa dotychczas osiągnięta prędkość uderzenia wyniosła 0,004 m/s. Te małe prędkości uderzenia mogą być osiągnięte tylko dla wolnych cząstek w środowisku mikrograwitacji. Laboratoryjna wieża zrzutowa jest tanią i wszechstronną realizacją takiego obiektu mikrograwitacji.

Alternatywne metody osiągania niskich prędkości uderzenia wykorzystują techniki lewitacji^14,15 (np. poprzez lewitację elektromagnetyczną lub aerodynamiczną), ale na ogół wywołują siłę między zderzających się cząstkami, która musi być uwzględniona w analizie zderzeń. Co więcej, lewitacja często wywołuje ruch obrotowy¹⁴, który, jeśli jest niepożądany, nie pozwala na zderzenia bez rotacji, ale z drugiej strony może nawet pozwolić na realistyczne symulacje zderzeń między obracającymi się cząstkami. W przypadku lewitacji aerodynamicznej, efekty poduszki powietrznej podczas zderzenia mogą wywołać niepożądane warunki, które nie pasują do tych występujących w dyskach protoplanetarnych. Lewitacja pozwala jednak na nieograniczony czas obserwacji i powtarzalne eksperymenty, dlatego musi być uważana za alternatywę dla wieży zrzutowej, jeśli ograniczenie czasowe jest niezbędne. Wszystkie nasze dotychczasowe wysiłki koncentrowały się na SiO₂ jako przedstawicielu krzemianów w regionie formowania się planet skalistych w młodych układach słonecznych. Ponieważ większość masy dysków protoplanetarnych jest skoncentrowana poza punktem kondensacji lodu wodnego, niezbędne jest również zbadanie zachowania zderzeń agregatów składających się z ziaren H₂O-lodu o wielkości μm. W tym celu obecnie budujemy wieżę zrzutową kriopróżni. Należy zauważyć, że temperatury w takich eksperymentach symulacyjnych muszą być poniżej ~150 K, co jest temperaturą tak zwanej "linii śniegu" w dyskach protoplanetarnych ("linia śniegu" oddziela wewnętrzne obszary, w których woda znajduje się w fazie gazowej, od obszarów zewnętrznych, w których występuje jako stały lód wodny). Wykazaliśmy, że tworzenie się cząstek lodu wodnego o rozmiarach μm jest wykonalne i że można z nich wytworzyć^{agregaty 16} , więc jesteśmy optymistami, aby w ciągu najbliższych 1-2 lat uzyskać pierwsze wyniki dotyczące ich zachowania podczas zderzeń.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Monodyspersyjne cząstki SiO2	Micromod	43-00-153	Średnica cząstek 1,52 ± 0,06 &mikro; m; kształt cząstek sferyczny
Polidyspersyjne cząstki SiO2	Sigma-Aldrich	S5631	Średnica cząstek: 0,1 – 10 & mikro; m; nieregularny kształt cząstek