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 início do sistema solar e entender os primeiros passos da formação planetária. Isso é feito primeiro preparando dois agregados de poeira porosa representando as partículas de poeira no jovem sistema solar. O segundo passo é inserir ambos os agregados de poeira em uma das torres de queda do laboratório, que foi condicionada para gerar uma colisão entre os agregados de poeira em condições de microgravidade.

Em seguida, o experimento é realizado e as câmeras de alta velocidade registram a colisão entre os dois agregados de poeira. A etapa final é a análise do registro de alta velocidade da colisão em relação à perda de energia, transferência de massa e fragmentação dos agregados de poeira. Em última análise, esses resultados são usados para desenvolver modelos físicos das colisões de agregados de poeira no sistema solar jovem, que são necessários para a modelagem dos primeiros passos da formação planetária.

Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo da formação planetária, como o resultado de colisões dos blocos de construção dos planetas. Tivemos a ideia para este método pela primeira vez quando estamos procurando meios para realizar um grande número de colisões de velocidade muito baixa entre agregados de poeira frágeis. A principal vantagem dessa técnica dos métodos existentes, como instalações comerciais de microgravidade, é que os experimentos podem ser realizados com mais frequência e são econômicos em laboratório.

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

Em seguida, comprima o material dentro do molde empurrando um pistão com a mão 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 de partículas superiores esféricas, use a partícula em um mecanismo de liberação de corda. Para configurar esse tipo de liberação, anexe a partícula a ser liberada a uma corda. Isso é feito durante a compressão da amostra usando um pistão com uma passagem para uma corda.

Segure a corda no lugar prendendo-a entre o ímã solenóide e a contrapeça de metal sólido para amostras de partículas inferiores esféricas. Use o mecanismo de liberação do alçapão. Comece colocando a partícula em um molde semi-esférico.

No momento apropriado, aplique uma corrente elétrica ao ímã solenóide do mecanismo de liberação superior a seguir. Aplique uma corrente elétrica para girar o alçapão para baixo usando um solenóide rotacional ao examinar arranjos mais complexos, como aglomerados de esferas, montar dois mecanismos de liberação do alçapão um sobre o outro. Uma vez que ambos os mecanismos do alçapão tenham sido carregados, aplique uma corrente elétrica para liberar as amostras nos momentos corretos para amostras cilíndricas.

Monte um mecanismo de liberação dupla tipo tesoura no lugar. Em seguida, coloque suavemente as amostras cilíndricas nas placas de liberação. Como antes, aplique uma corrente elétrica nos ímãs solenóides para liberar as amostras.

Se uma amostra for acelerada em vez de simplesmente cair livremente, use um mecanismo de aceleração de partículas, como um estágio linear acionado eletromagneticamente. Ao testar amostras cilíndricas em combinação com aceleração de partículas, use o mecanismo de liberação do alçapão de asa dupla. Coloque a amostra de poeira cilíndrica no alçapão fechado.

Em seguida, destrave o alçapão aplicando uma corrente elétrica ao ímã do solenóide. Observe como as quebras de corrente parasita impedem que a porta volte para a amostra para obter uma colisão em baixa velocidade. Velocidades de 0,09 metros por segundo.

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

Em seguida, defina o atraso de tempo dos mecanismos de liberação para nove milissegundos. Isso significa que primeiro o agregado de poeira superior será liberado e nove milissegundos depois a partícula inferior, a câmera será liberada entre as próximas câmeras de conexão com suas unidades de liberação e ligar a iluminação. Em seguida, inicie a gravação contínua.

Quando o vácuo desejado de mais de um milibar for atingido, pressione o botão de liberação para iniciar a sequência do temporizador quando o experimento for concluído, baixe as sequências de imagens gravadas pelas câmeras de alta velocidade para um computador. Prepare duas amostras cilíndricas de cinco centímetros de diâmetro e altura para uma colisão em alta velocidade, carregando primeiro uma amostra no mecanismo de liberação do alçapão de asa dupla e a outra no porta-amostras do acelerador de estágio linear. Uma vez que as amostras estejam no lugar, prepare a câmara como antes, selando 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. Em seguida, ligue a iluminação apropriada e comece a gravar com a câmera de alta velocidade. Assim que o vácuo desejado for superior a 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 e, em seguida, coloque a amostra menor no suporte de amostra do acelerador. Essas imagens de microscopia eletrônica das partículas de sílica irregulares monodispersas esféricas e polidispersas ilustram as características físicas das amostras usadas nos experimentos de torre de queda de laboratório.

Os agregados de poeira podem ser feitos em vários tamanhos e formas de amostra, incluindo cilindros de poeira em diâmetros de um centímetro, dois centímetros e cinco centímetros e esferas de poeira em diâmetros de um centímetro e dois centímetros. Além disso, aglomerados de esferas luminosas de dois a três milímetros podem ser usados usando a 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 usando agregados de tamanho milimétrico para pó.

A escala de cinza denota o fator de preenchimento de volume, a razão entre a densidade de massa da amostra e a densidade do material das partículas de poeira monômera saltando as velocidades de colisão foram analisadas rastreando as posições das partículas ao longo do tempo para derivar a velocidade após e antes da colisão. A razão desses valores é chamada de coeficiente de restituição e descreve a perda de energia na colisão. Os coeficientes de restituição analisados são plotados em relação às velocidades de colisão.

Os dados de poeira esférica, agregados e colisões entre agregados de poeira cilíndrica mostram uma tendência de diminuição do coeficiente de restituição com o aumento da velocidade de impacto Uma vez dominado. Essa técnica pode ser feita em uma hora se for executada corretamente. Trabalhar com partículas do tamanho de micrômetros pode ser extremamente perigoso, portanto, precauções como máscaras de proteção, luvas e exaustores como este, devem ser sempre tomadas durante o procedimento.