Лаборатория падения башни для экспериментального моделирования пыли совокупных столкновениях в ранней Солнечной системе

Общая цель этой процедуры — экспериментально смоделировать столкновения между пылевыми агрегатами в ранней Солнечной системе и понять первые шаги формирования планет. Это достигается путем предварительной подготовки двух пористых пылевых агрегатов, представляющих частицы пыли в молодой Солнечной системе. Второй шаг заключается во вставке обоих пылевых агрегатов в одну из лабораторных башен, которая была подготовлена для создания столкновения между пылевыми агрегатами в условиях микрогравитации.

Далее проводится эксперимент и высокоскоростные камеры фиксируют столкновение двух пылевых агрегатов. Заключительным этапом является анализ высокоскоростной регистрации столкновения с учетом потерь энергии, массопереноса и фрагментации пылевых агрегатов. В конечном счете, эти результаты используются для разработки физических моделей столкновений пылевых агрегатов в молодой Солнечной системе, которые необходимы для моделирования первых этапов формирования планет.

Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области формирования планет, такие как исход столкновений строительных блоков планет. Впервые идея этого метода пришла нам в голову, когда мы искали средства для проведения большого количества столкновений с очень низкой скоростью между хрупкими пылевыми агрегатами. Основное преимущество этого метода по сравнению с существующими методами, такими как коммерческие микрогравитационные установки, заключается в том, что эксперименты могут проводиться чаще и экономически эффективны в лаборатории.

Визуальная демонстрация этого метода имеет решающее значение, поскольку этапы подготовки образцов сложны для изучения, поскольку эти подготовленные образцы очень хрупкие. Для начала рассчитайте количество материала, необходимое для желаемой формы, используя следующее уравнение. Просейте достаточное количество материала через ячейку 0,5 миллиметра С, и заполните рассчитанную массу в форму.

Затем сожмите материал внутри формы, толкая поршень рукой до тех пор, пока образец не достигнет пяти сантиметров. Наконец, переверните форму вверх дном. Откройте опорную пластину и осторожно вытолкните образец с помощью поршня.

Для образцов сферических верхних частиц используйте механизм выпуска частицы на струне. Чтобы настроить этот тип выпуска, прикрепите выпускаемую частицу к веревке. Это делается во время сжатия образца с помощью поршня с проходом для струны.

Удерживайте струну на месте, зажимая ее между электромагнитным магнитом и цельным металлическим контрэлементом для сферических образцов нижних частиц. Используйте механизм открывания люка. Начните с помещения частицы в полусферическую форму.

В соответствующее время подайте электрический ток на электромагнитный магнит верхнего разблокировочного механизма. Подайте электрический ток для вращения люка вниз с помощью вращающегося соленоида при изучении более сложных устройств, таких как скопления сфер, установите два механизма открывания люка друг над другом. После того, как оба механизма люка будут загружены, подайте электрический ток, чтобы выпустить образцы в нужное время для цилиндрических образцов.

Установите на место механизм двойного спуска ножничного типа. Затем аккуратно установите цилиндрические образцы на разделительные пластины. Как и раньше, подайте электрический ток на электромагнитные магниты, чтобы освободить образцы.

Если образец будет ускоряться, а не просто свободно падать, используйте механизм ускорения частиц, такой как линейный столик с электромагнитным приводом. При испытании цилиндрических образцов в сочетании с ускорением частиц используйте механизм разблокировки двойных крыльевых люков. Поместите цилиндрический образец пыли на закрытый люк

Затем откройте люк, подав электрический ток на электромагнитный магнит. Обратите внимание, как вихретоковые разрывы предотвращают отскок двери обратно в образец для столкновения на низкой скорости. Скорость 0,09 метра в секунду.

Поместите одну из частиц в один сантиметр в частицу на струнном механизме, а другую частицу в один сантиметр на расстоянии семи миллиметров в механизм разблокировки люка. Затем закройте вакуумную стеклянную трубку. Осторожно откройте клапан вакуумных насосов, чтобы начать медленную эвакуацию воздуха из трубки.

Далее установите временную задержку спусковых механизмов равной девяти миллисекундам. Это означает, что сначала будет выпущен верхний пылеуловитель, а через девять миллисекунд — нижняя частица, камера будет выпущена между следующими — прикрепите камеры к своим спусковым устройствам и включите освещение. Затем начните непрерывную запись.

Когда будет достигнут желаемый вакуум лучше одного миллибара, нажмите кнопку спуска, чтобы запустить последовательность таймеров, после завершения эксперимента загрузите последовательности изображений, записанных высокоскоростными камерами, на компьютер. Подготовьте два цилиндрических образца пятисантиметрового диаметра и высоты для высокоскоростного столкновения, загрузив сначала один образец на механизм сброса люка двойного крыла, а другой — на держатель образца ускорителя линейной ступени. Как только образцы будут на месте, подготовьте камеру, как и раньше, запечатав стеклянную трубку и открыв вакуумный клапан для удаления воздуха из трубки.

Затем настройте время срабатывания спускового механизма и линейного ускорителя в соответствии с нужными условиями. Далее включите соответствующее освещение и начните запись на высокоскоростную камеру. Как только будет достигнут желаемый вакуум лучше 0,01 миллибар, нажмите кнопку разблокировки, чтобы инициировать столкновение после завершения.

Загрузите последовательности изображений, записанные камерами, как и раньше, для агрегатов разных размеров. Загрузите большой образец в механизм разблокировки, затем поместите меньший образец на держатель образца ускорителя. Эти электронно-микроскопические изображения монодисперсных сферических и полидисперсных частиц диоксида кремния неправильной формы иллюстрируют физические характеристики образцов, используемых в лабораторных экспериментах с башней.

Пылевые агрегаты могут быть изготовлены в различных размерах и формах образцов, в том числе пылевые цилиндры диаметром один сантиметр, два сантиметра и пять сантиметров, а также пылевые сферы диаметром один сантиметр и два сантиметра. Кроме того, кластеры светящихся сфер размером от двух до трех миллиметров могут быть использованы с помощью рентгеновской томографии для реконструкции внутренней структуры цилиндрического образца пылевого агрегата. Хорошо видно, что этот образец с высокой пористостью был собран с использованием миллиметровых заполнителей пыли.

Шкала серого обозначает объемный коэффициент заполнения, отношение плотности массы образца и материальную плотность частиц мономерной пыли Скорости столкновения были проанализированы путем отслеживания положения частиц с течением времени для получения скорости после и до столкновения. Отношение этих величин называется коэффициентом восстановления и описывает потери энергии при столкновении. Анализируемые коэффициенты восстановления построены в зависимости от скоростей столкновения.

Данные о сферической пыли, агрегатах и столкновениях между цилиндрическими пылевыми агрегатами показывают тенденцию к снижению коэффициента восстановления с увеличением скорости удара после освоения. Эту технику можно выполнить за один час, если она выполнена правильно. Работа с частицами микрометрового размера может быть чрезвычайно опасной, поэтому во время процедуры всегда следует принимать меры предосторожности, такие как защитные маски, перчатки и капюшоны для экстракторов.