Laboratório Gota Torres para a Simulação Experimental de Colisões Dust-agregados no sistema solar precoce

O objetivo geral deste procedimento é simular experimentalmente colisões entre agregados de poeira no sistema solar primordial e compreender os primeiros passos da formação planetária. Isso é realizado primeiramente preparando dois agregados porosos de poeira que representam as partículas de poeira no sistema solar jovem. O segundo passo consiste em inserir ambos os agregados de poeira em uma das torres de queda laboratoriais, que foi condicionada para gerar uma colisão entre os agregados de poeira em condições de microgravidade.

Em seguida, o experimento é realizado e câmeras de alta velocidade registram a colisão entre os dois agregados de poeira. O passo final é a análise da gravação de alta velocidade da colisão com relação à perda de energia, transferência de massa e fragmentação dos agregados de poeira. Em última instância, esses resultados são utilizados para desenvolver modelos físicos das colisões entre agregados de poeira no sistema solar jovem, os quais são necessários para a modelagem dos primeiros passos da formação planetária.

Este método pode ajudar a responder perguntas fundamentais na área da formação de planetas, como o resultado de colisões entre os blocos de construção dos planetas. Tivemos pela primeira vez a ideia deste método ao buscar meios para realizar um grande número de colisões com velocidades muito baixas entre agregados de poeira frágeis. A principal vantagem desta técnica em relação a métodos existentes, como instalações comerciais de microgravidade, é que os experimentos podem ser realizados com maior frequência e são economicamente viáveis no laboratório.

A demonstração visual deste método é essencial, pois as etapas de preparação da amostra são difíceis de aprender, já que as amostras preparadas são muito frágeis. Para começar, calcule a quantidade de material necessária para a forma desejada utilizando a seguinte equação. Peneire uma quantidade suficiente de material através de uma malha de 0,5 milímetro C e coloque a massa calculada em um molde.

Em seguida, comprima o material dentro do molde empurrando um pistão manualmente até que a amostra atinja cinco centímetros. Por fim, vire o molde de cabeça para baixo. Abra a placa de base e empurre suavemente a amostra para fora com o pistão.

Para amostras esféricas de partículas superiores, utilize o mecanismo de liberação da partícula em um fio. Para montar esse tipo de liberação, prenda a partícula a ser liberada a um fio. Isso é feito durante a compressão da amostra usando um pistão com uma passagem para o fio.

Segure o fio no lugar prendendo-o entre o eletroímã e a peça metálica sólida oposta, para amostras esféricas de partículas inferiores. Utilize o mecanismo de liberação da porta de retenção. Comece colocando a partícula em um molde semiesférico.

No momento apropriado, aplique uma corrente elétrica ao eletroímã do mecanismo de liberação superior a partir de agora. Aplique uma corrente elétrica para girar a porta de retenção para baixo usando um solenoide rotacional ao examinar arranjos mais complexos, como aglomerados de esferas; monte dois mecanismos de liberação com porta de retenção um acima do outro. Depois que ambos os mecanismos com porta de retenção tiverem sido carregados, aplique uma corrente elétrica para liberar as amostras nos momentos corretos para amostras cilíndricas.

Monte um mecanismo de liberação dupla do tipo tesoura no lugar apropriado. Em seguida, posicione cuidadosamente as amostras cilíndricas sobre as placas de liberação. Como antes, aplique uma corrente elétrica aos ímãs solenoides para liberar as amostras.

Se uma amostra for acelerada em vez de simplesmente cair em queda livre, utilize um mecanismo de aceleração de partículas, como um estágio linear acionado eletromagneticamente. Ao testar amostras cilíndricas em combinação com aceleração de partículas, utilize o mecanismo de liberação da porta oculta com dupla ala. Coloque a amostra cilíndrica de poeira sobre a porta oculta fechada.

Em seguida, destrave a porta de retenção aplicando uma corrente elétrica ao eletroímã. Observe como as correntes parasitas impedem que a porta volte rapidamente para dentro da amostra, permitindo uma colisão de baixa velocidade. Velocidades de 0,09 metros por segundo.

Coloque uma das partículas de um centímetro no mecanismo de partícula em um fio e a outra partícula de um centímetro a sete milímetros de distância no mecanismo de liberação com porta de retenção. Em seguida, feche o tubo de vidro a vácuo. Abra cuidadosamente a válvula das bombas de vácuo para iniciar a lenta evacuação do ar no tubo.

Em seguida, ajuste o atraso temporal dos mecanismos de liberação para nove milissegundos. Isso significa que primeiro o agregado superior de poeira será liberado e, nove milissegundos depois, a partícula inferior; a câmera será liberada entre esses dois momentos. A seguir, acople as câmeras às suas unidades de liberação e ligue a iluminação. Então, inicie a gravação contínua.

Quando o vácuo desejado de menos de um milibar for atingido, pressione o botão de liberação para iniciar a sequência de cronometragem quando o experimento for concluído e transfira para um computador as sequências de imagens registradas pelas câmeras de alta velocidade. Prepare duas amostras cilíndricas de cinco centímetros de diâmetro e altura para uma colisão de alta velocidade, colocando primeiramente uma amostra no mecanismo de liberação da porta com dupla abertura e a outra na porta de amostras do acelerador de estágio linear. Uma vez que as amostras estejam posicionadas, prepare a câmara como antes, vedando o tubo de vidro e abrindo a válvula de vácuo para remover o ar do tubo.

Em seguida, configure o tempo do mecanismo de liberação e do acelerador linear de acordo com as condições desejadas. Depois, ligue a iluminação apropriada e inicie a gravação com a câmera de alta velocidade. Uma vez atingido o vácuo desejado, melhor que 0,01 milibar, pressione o botão de liberação para iniciar a colisão após a conclusão.

Baixe as sequências de imagens gravadas pelas câmeras como antes, para agregados de diferentes tamanhos. Carregue a amostra grande em um mecanismo de liberação, em seguida, coloque a amostra menor no suporte da amostra do acelerador. Essas imagens de microscopia eletrônica de partículas esféricas monodispersas e partículas de sílica irregulares polidispersas ilustram as características físicas das amostras utilizadas nos experimentos na torre de queda de laboratório.

Agregados de poeira podem ser produzidos em vários tamanhos e formas de amostra, incluindo cilindros de poeira com diâmetros de um centímetro, dois centímetros e cinco centímetros e esferas de poeira com diâmetros de um centímetro e dois centímetros. Além disso, agrupamentos de esferas iluminosas com tamanhos de dois a três milímetros podem ser utilizados mediante reconstrução por tomografia de raios X da estrutura interna de uma amostra cilíndrica de agregado de poeira. É claramente visível que esta amostra de alta porosidade foi montada utilizando agregados de poeira com tamanhos na escala de milímetros.

A escala de cinza denota o fator de preenchimento de volume, a razão entre a densidade mássica da amostra e a densidade de material das partículas de poeira monoméricas. As velocidades de colisão com ressalto foram analisadas acompanhando as posições das partículas ao longo do tempo para determinar a velocidade após e antes da colisão. A razão entre esses valores é chamada de coeficiente de restituição e descreve a perda de energia na colisão. Os coeficientes de restituição analisados são representados graficamente em função das velocidades de colisão.

Os dados para poeira esférica, agregados e colisões entre agregados de poeira cilíndricos mostram uma tendência de diminuição do coeficiente de restituição com o aumento da velocidade de impacto. Uma vez dominada, esta técnica pode ser realizada em uma hora, se executada corretamente. Trabalhar com partículas de tamanho micrométrico pode ser extremamente perigoso; portanto, precauções como máscaras de proteção, luvas e capelas de exaustão como esta devem sempre ser adotadas durante o procedimento.