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

UWAGA: W zależności od nieszkodliwości użytych cząstek, które można znaleźć w odpowiednich kartach charakterystyki, osoba pracująca z pyłem musi nosić ochronę ust i sprzęt ochronny. Zaleca się również stosowanie systemu ssącego, aby powietrze z otoczenia było wolne od kurzu.

1. Przygotowanie próbek kruszywa pyłowego o rozmiarach cm

1. Obliczyć ilość wymaganego materiału według wzoru m = Φ_{ρ 0} V, gdzie m to wymagana masa, Φ to pożądany współczynnik wypełnienia objętością (współczynnik wypełnienia objętością = 1 - porowatość), ρ₀ to gęstość materiału, a V to objętość próbki. 77 g nieregularnego pyłu krzemianowego (ρ₀ = 2,6 g/cm³) jest wymagany do osiągnięcia porowatości próbki wynoszącej 70% (współczynnik wypełnienia objętością = 0,3) dla cylindrycznej próbki o średnicy i wysokości odpowiednio 5 cm.
   Uwaga: Powstawanie planet skalistych rozpoczyna się od koagulacji mikrometrowych ziaren pyłu – składających się głównie z krzemianów – w porowate ciała o rozmiarach cm. Dobrze przebadanym i odpowiednim laboratoryjnym materiałem analogowym jest SiO₂, który jest dostępny w postaci proszku o nieregularnym kształcie i rozkładzie wielkości w zakresie od 0,5 do 10 μm, a także w postaci monodyspersyjnych sferycznych ziaren dla lepszej porównywalności z modelami teoretycznymi (patrz tabela 1 i rysunek 1).

typu

SiO 2-monomerowe ziarno	Producent	Średnica cząstek	Kształt cząsteczek	Przykładowy rysunek
Monodyspersja	Mikromod	1,52 ± 0,06 μm	kulisty	Rysunek 1 (po lewej)
Polidyspersja	Sigma-Aldrich	0,1 – 10 μm	nieregularny	Rysunek 1 (po prawej)

Tabela 1. Charakterystyka cząstek SiO₂ wykorzystywanych w eksperymentach zderzeń pył-agregat

.

Rysunek 1. Obrazy z mikroskopii elektronowej monodyspersyjnych (po lewej) i polidyspersyjnych (po prawej) cząstek SiO₂ wykorzystywanych do produkcji makroskopowych agregatów pyłu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Weź pojemnik z cząstkami SiO₂ o wielkości mikrometra (patrz tabela 1) i wlej jego zawartość na sito o rozmiarze oczek 0,5 mm. Przesiej wystarczającą ilość materiału i wlej obliczoną masę do formy. Ściskać materiał w formie, wciskając ręcznie tłok, aż do osiągnięcia wysokości próbki (np. 5 cm). Obróć formę na tłoku, otwórz płytę podstawy i delikatnie wypchnij próbkę.
   Uwaga: Próbki mogą być produkowane w kilku kształtach (kuliste i cylindryczne), rozmiarach (od 1 mm do 10 cm) i porowatych (od 60 do 85%) (patrz rysunek 3). Próbki mogą być następnie używane pojedynczo w eksperymentach zderzeniowych lub łączone w klastry, które następnie zderzają się z innymi agregatami lub klastrami.

Rysunek 2. Fotografia przedstawiająca różnice w rozmiarach i kształtach próbek pyłu skupiskowa. Pokazane są następujące próbki: cylindry pyłu o średnicy 1 cm, 2 cm i 5 cm (tylny rząd), kule pyłu o średnicy 1 cm i 2 cm (rząd środkowy) oraz kule Al₂O₃ mm o średnicy 2-3 mm (przód). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

3. Scharakteryzować próbki pod względem porowatości i jednorodności. Jeśli próbki nie mieszczą się w dozwolonych marginesach, należy je wyprodukować.
   1. W celu określenia porowatości próbki pyłu należy określić jej objętość, mierząc jej wymiary i masę za pomocą precyzyjnej wagi.
   2. Użyj tomografii rentgenowskiej (XRT)¹², aby uzyskać informacje na temat jednorodności i rozkładu wielkości porów w pobranej próbce.
      Uwaga: W przypadku agregatów pyłowych o wielkości 5 cm stwierdziliśmy odchylenia od średniego współczynnika wypełnienia objętościowego, tj. stosunku gęstości masowej próbki do gęstości materiału cząstek monomeru i pyłu, wynoszące tylko około 1% w obrębie objętości próbek i nieco większy wzrost współczynnika wypełnienia objętościowego nawet o 8% w kierunku granic zewnętrznych¹². Rysunek 3 przedstawia rekonstrukcję XRT przecięcia przez cylindryczne agregaty pyłu o średnicy 5 cm i wysokości 5 cm. Nie używamy XRT dla każdego agregatu pyłowego, ale badamy strukturę wewnętrzną i jednorodność próbek losowych.

Rysunek 3. Rekonstrukcja struktury wewnętrznej cylindrycznej próbki pyłu-kruszywa o wysokości 5 cm i średnicy 5 cm po analizie XRT. Skala szarości oznacza współczynnik wypełnienia objętościowego, który jest stosunkiem gęstości masowej próbki do gęstości materiału cząstek monomeru-pyłu. Z rekonstrukcji XRT wyraźnie widać, że ta próbka o wysokiej porowatości została zmontowana przy użyciu agregatów pyłowych o wielkości mm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Zasada ustawienia wieży zrzutowej

1. Mechanizmy zwalniające:
   W górnej części wieży zrzutowej zamontowane są dwa mechanizmy zwalniające jeden na drugim. Każdy z nich trzyma próbkę i wypuszcza ją do swobodnego spadania. Różnica czasu między uwolnieniem górnej i dolnej cząstki określa względną prędkość zderzenia. W zależności od morfologii i kształtu cząstek dobierane są odpowiednie mechanizmy uwalniania. Jeśli stosowany jest mechanizm przyspieszania cząstek, wymagany jest tylko jeden mechanizm zwalniający.
   1. Mechanizm uwalniania cząstek na strunie (próbki sferyczne, górna cząstka):
      Ten mechanizm zwalniający składa się z liniowego magnesu elektromagnetycznego i solidnego metalowego elementu przeciwstawnego.
      1. Przymocuj cząstkę, która ma zostać uwolniona, do sznurka. Przytrzymaj sznurek na miejscu, zaciskając go między magnesem elektromagnetycznym a solidnym metalowym elementem blokującym.
      2. Aby uwolnić cząstkę, przyłóż prąd elektryczny do magnesu elektromagnetycznego (patrz film 1).
   2. Mechanizm zwalniający klapę (próbki sferyczne, dolna cząstka):
      Ten mechanizm zwalniający składa się z obrotowego magnesu elektromagnetycznego, do którego przymocowany jest uchwyt na cząstki.
      1. Umieść cząstkę w półkulistej formie, która jest obracana w dół przez elektromagnes obrotowy, gdy przyłożony jest prąd elektryczny (patrz film 1).
      2. Mechanizm ten może być również wykorzystywany do uwalniania skupisk cząstek lub zagregowanych grudek. W tym drugim przypadku należy zamontować dwa mechanizmy zwalniające klapę jeden nad drugim (patrz film 2).
   3. Mechanizm podwójnego zwalniania typu nożycowego (próbki cylindryczne):
      Ten mechanizm zwalniający składa się z dwóch par obrotowych magnesów elektromagnetycznych, do których przymocowany jest metalowy pręt. Dwa magnesy elektromagnetyczne każdego mechanizmu zwalniającego są umieszczone tak, aby dwa metalowe pręty były równoległe.
      1. Umieść dwie próbki na dwóch równoległych prętach każda.
      2. Przyłóż prąd elektryczny do dwóch elektrozaworów obrotowych, aby uwolnić cząstki do swobodnego spadku. (patrz film 3).
   4. Dwuskrzydłowy mechanizm zwalniający klapę (próbki cylindryczne, w połączeniu z mechanizmem przyspieszania cząstek):
      Ten mechanizm zwalniający składa się z dwóch sprężynowych metalowych płytek, które razem tworzą uchwyt na cząstki w kształcie litery V. Dwie metalowe płytki są utrzymywane na miejscu przez metalowy pręt, który jest przymocowany do obrotowego magnesu elektromagnetycznego.
      1. Umieścić cylindryczną próbkę pyłu na zamkniętej klapie.
      2. Odblokuj klapę, przykładając prąd elektryczny do magnesu elektromagnetycznego. Aby uniknąć odbijania się drzwi do tyłu, hamulce wiroprądowe zatrzymują je (patrz film 4).
         Uwaga: Ważne jest, aby wypuszczać cząstki do swobodnego spadku bez prędkości początkowej i rotacji. W tym celu opracowano kilka mechanizmów zwalniających (2.1.1 – 2.1.4).
2. Mechanizmy przyspieszania cząstek:
   Przyspiesza cząstki albo za pomocą wstępnie napiętej sprężyny, albo za pomocą elektromagnetycznie napędzanego stopnia liniowego. Oba akceleratory mogą być wyposażone w uchwyty na próbki cząstek o różnych kształtach.


3. Elektronika sterująca:
   Ustaw elektronikę timera i zwalniacza na odpowiednie wartości, aby osiągnąć żądaną prędkość zderzenia i obsługiwać kamerę w ramce ze środkiem masy.
   Uwaga: Czas uwalniania cząstek, przyspieszania cząstek i wyzwalania przez kamerę jest realizowany przez zestaw elektronicznych timerów, których działanie wyjaśniono w filmie 5.

3. Przeprowadzanie eksperymentów

1. Zderzenia przy małej prędkości (mała wieża zrzutowa):
   1. Załaduj próbki do nożycowego mechanizmu podwójnego zwalniania i zamknij szklaną rurkę próżniową.
   2. Rozpocznij ewakuację i ustaw parametry timera.
   3. Przymocuj kamery do ich magnetycznych wyzwalaczy. Rozpocznij ciągłe nagrywanie z kamery.
      Uwaga: Ze względu na dużą intensywność oświetlenia jasnego pola LED można wybrać wystarczająco krótki czas naświetlania szybkiej kamery, aby ruch cząstek podczas ekspozycji był znikomy. Co więcej, przysłona obiektywu aparatu musi być ustawiona na wystarczająco wysokie wartości, aby rozszerzyć głębię ostrości na całą średnicę wieży zrzutowej.
   4. Po osiągnięciu żądanej jakości próżni włącz oświetlenie, naciśnij przycisk start i pobierz sekwencje obrazów.
2. Zderzenia z dużą prędkością (duża wieża zrzutowa):
   1. Załadować próbki do dwuskrzydłowego mechanizmu zwalniającego klapę i akceleratora, a następnie zamknąć szklaną rurkę próżniową.
   2. Rozpocznij ewakuację i ustaw parametry timera.
   3. Rozpocznij ciągłe nagrywanie z kamery. Po osiągnięciu żądanej jakości próżni włącz oświetlenie i naciśnij przycisk start. Pobierz sekwencje obrazów.
      Uwaga: Ze względu na dużą intensywność oświetlenia jasnego pola LED można wybrać wystarczająco krótki czas naświetlania szybkiej kamery, aby ruch cząstek podczas ekspozycji był znikomy. Co więcej, przysłona obiektywu aparatu musi być ustawiona na wystarczająco wysokie wartości, aby rozszerzyć głębię ostrości na całą średnicę wieży zrzutowej.

4. Przykładowe eksperymenty

1. Ostrożnie załaduj próbki do odpowiedniego mechanizmu zwalniającego.
   1. Kolizje przy niskiej prędkości (mechanizm podwójnego zwalniania; 0,09 m/s): 5 cm vs. 5 cm, odbijające się.
      Załaduj próbki do dwóch nożycowych mechanizmów zwalniających. Aby osiągnąć prędkość zderzenia 0,09 m/s, należy umieścić cząstki w odległości 7 mm od siebie i ustawić opóźnienie czasowe mechanizmów zwalniających na 9 ms.
      Uwaga: Przy tej prędkości uderzenia próbki pyłu odbijają się od siebie po zderzeniu. Sekwencja obrazu jest rejestrowana przez swobodnie spadającą kamerę o dużej prędkości (patrz film 6).
   
   
   2. Zderzenia z dużą prędkością (akcelerator elektromagnetyczny; 7,4 m/s): 2 cm vs. 2 cm, fragmentacja.
      Załadować jedną próbkę do dwuskrzydłowego mechanizmu zwalniającego klapę; Umieścić drugą próbkę w uchwycie na próbkę akceleratora stopnia liniowego.
      Uwaga: Aby osiągnąć prędkość zderzenia 7,4 m/s, dolne agregaty pyłu są płynnie przyspieszane w górę o 2 g, podczas gdy jednocześnie górne agregaty pyłu opadają. Przy prędkości względnej 7,4 m/s próbki pyłu rozpadają się na fragmenty (patrz film 7).
   
   
   3. Szybkie zderzenie małych agregatów z dużymi kruszywami: 0,5 cm vs. 5 cm, przenoszenie masy.
      Załaduj dużą próbkę do nożycowego mechanizmu zwalniającego; Umieść mniejszą próbkę w uchwycie próbki przyspieszacza sprężynowego.
      Uwaga: Aby osiągnąć prędkości zderzenia wymagane do przeniesienia masy, dolne skupisko pyłu jest płynnie przyspieszane w górę, podczas gdy jednocześnie górne skupisko pyłu opada. Przy tej prędkości względnej mniejsza próbka rozpada się i przenosi niewielką ilość masy na większą próbkę. Gdy kamera spada wzdłuż górnej (bardziej masywnej) cząstki, obrazy wykonane przez szybką kamerę sprawiają wrażenie dużej cząstki mniej więcej w spoczynku (patrz film 8), co nie jest prawdą widzianą z zewnątrz wieży zrzutowej.
2. Zamknij szklaną rurkę próżniową.
3. Ostrożnie otwórz zawór podciśnieniowy pomp, aby rozpocząć powolną ewakuację i ustaw parametry timera na wymaganą różnicę czasu dla pożądanej prędkości zderzenia.
4. Przymocuj kamery do ich wyzwalaczy (jeśli używane są kamery ze swobodnym opadaniem). Rozpocznij ciągłe nagrywanie z kamery i włącz oświetlenie.
5. Po osiągnięciu żądanej jakości próżni naciśnij przycisk zwalniający, aby zainicjować sekwencję timera.
6. Pobierz sekwencje obrazów zarejestrowane przez kamery o dużej szybkości do komputera.

5. Analiza danych

1. Wybierz odpowiednią progową wartość szarości między tłem a wartością szarości obiektów. Utwórz obraz binarny na podstawie tego progu, ustawiając piksele o wartościach szarości powyżej progu na biały (wartość binarna 1), a piksele o niższych wartościach szarości na (wartość binarna 0).
2. Określ położenie środka masy cząstek na każdym z obrazów. Dobrym przybliżeniem do określenia środka masy dla symetrycznych cząstek jest środek rzutowanego obszaru. Jest to obliczane na podstawie binaryzowanych obrazów.
3. Użyj względnego położenia środków masy obiektów i informacji o czasie z obrazów z kamery, aby obliczyć prędkość względną (patrz film 9). Nachylenia krzywej położenia są pokazane po prawej stronie filmu 9.
   1. W przypadku zderzenia odbijającego się należy określić prędkości względne przed i po kontakcie. Oblicz współczynnik restytucji, czyli stosunek prędkości po zderzeniu i przed. Wykreśl prędkość względną w stosunku do współczynnika restytucji. Przykład takiej analizy przedstawiono na rysunku 4.

Rysunek 4. Przykład analizy zderzeń odbijających się. Współczynnik restytucji, tj. stosunek prędkości odbicia do prędkości uderzenia, wykreśla się jako funkcję prędkości zderzenia. Okręgi pokazują dane dla sferycznych agregatów pyłu o średnicy 2 cm¹³ (patrz rysunek 2), trójkąty oznaczają zderzenia między cylindrycznymi agregatami pyłu o średnicy 5 cm i wysokości 5 cm (patrz rysunek 2) oraz dwa różne współczynniki wypełnienia objętością wynoszące odpowiednio 0,3 i 0,4¹². Dane wskazują na tendencję do zmniejszania się współczynnika restytucji wraz ze wzrostem prędkości oddziaływania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Jeśli jedna lub obie cząstki ulegną fragmentacji, określ rozmiary jak największej liczby największych fragmentów, mierząc ich odpowiednie rzutowane obszary i przyjmując odpowiednie kształty.
   1. Jeśli dochodzi do fragmentacji tylko jednej cząstki, zwykle przenosi ona pewną ilość swojej masy na cząstkę, która przeżyła. Określ ilość przenoszonej masy, mierząc nagromadzoną objętość, przyjmując odpowiedni kształt i porowatość, aby określić ilościowo wydajność 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