Erken Güneş Sistemi Toz-agrega Çatışmayı Deneysel Simülasyon Laboratuvarı Bırak Towers

Bu prosedürün genel amacı, erken güneş sistemindeki toz agregaları arasındaki çarpışmaları deneysel olarak simüle etmek ve gezegen oluşumunun ilk adımlarını anlamaktır. Bu işlem, öncelikle genç güneş sistemindeki toz parçacıklarını temsil eden iki gözenekli toz agregasının hazırlanmasıyla gerçekleştirilir. İkinci adım ise, her iki toz agregasının, mikrogravite koşulları altında toz agregaları arasında bir çarpışma oluşturacak şekilde düzenlenmiş laboratuvar düşme kulelerinden birine yerleştirilmesidir.

Ardından deney gerçekleştirilir ve yüksek hızlı kameralar iki toz agregatının çarpışmasını kaydeder. Son adım, çarpışmanın yüksek hızlı kaydının enerji kaybı, kütle transferi ve toz agregatlarının parçalanması açısından analiz edilmesidir. Nihayetinde, bu sonuçlar, gezegen oluşumunun ilk aşamalarının modellenmesi için gerekli olan, erken güneş sistemindeki toz agregatı çarpışmalarının fiziksel modellerini geliştirmek için kullanılır.

Bu yöntem, gezegen yapı taşlarının çarpışmalarının sonucu gibi gezegen oluşumu alanındaki temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Bu yöntem fikri ilk olarak, kırılgan toz agregatları arasında çok düşük hızda çok sayıda çarpışma gerçekleştirmek için araçlar ararken ortaya çıkmıştır. Bu tekniğin ticari mikrogravite tesisleri gibi mevcut yöntemlere göre temel avantajı, deneylerin laboratuvarda daha sık gerçekleştirilebilmesi ve maliyet açısından verimli olmasıdır.

Hazırlanan numuneler çok kırılgan olduğu için numune hazırlama basamaklarının öğrenilmesi zordur, bu nedenle bu yöntemin görsel olarak gösterilmesi kritik önem taşır. Başlamak için, aşağıdaki denklemi kullanarak istenen şekil için gerekli materyal miktarını hesaplayın. Yeterli miktarda materyali 0,5 milimetrelik bir elekten (C) geçirin ve hesaplanan kütleyi bir kalıba doldurun.

Ardından, örnek beş santimetreye ulaşana kadar pistonu elle iterek kalıbın içindeki malzemeyi sıkıştırın. Son olarak, kalıbı ters çevirin. Taban plakasını açın ve pistonla örneği nazikçe dışarı itin.

Küresel üst partikül örnekleri için, ipli partikül bırakma mekanizmasını kullanın. Bu tip bir bırakma düzeneği kurmak için, bırakılacak partikülü bir ipe bağlayın. Bu işlem, örnek sıkıştırma sırasında, ip için bir geçidi olan bir piston kullanılarak gerçekleştirilir.

Küre şeklindeki alt parçacık örnekleri için, ipi solenoid mıknatıs ile sabit metal karşı parça arasında sıkıştırarak yerinde tutun. Kapak açma mekanizmasını kullanın. İşleme, parçacığı yarı küre şeklinde bir kalıba yerleştirerek başlayın.

Uygun zamanda, bundan sonra üst bırakma mekanizmasının solenoid mıknatısına elektrik akımı uygulayın. Küre kümeleri gibi daha karmaşık düzenekleri incelerken, bir döner solenoid kullanarak kapakçığın aşağıya doğru dönmesini sağlamak için elektrik akımı uygulayın; bu durumda iki kapakçık bırakma mekanizmasını üst üste monte edin. Silindirik numuneler için, her iki kapakçık mekanizması yüklendikten sonra, numunelerin doğru zamanlarda bırakılması için elektrik akımı uygulayın.

Makas tipi çift bırakma mekanizmasını yerine monte edin. Ardından silindirik numuneleri bırakma plakalarının üzerine nazikçe yerleştirin. Daha önce olduğu gibi, numuneleri serbest bırakmak için solenoid mıknatıslara elektrik akımı uygulayın.

Numunenin sadece serbest düşüşe bırakılması yerine hızlandırılması gerekiyorsa, elektromanyetik tahrikli bir lineer tabla gibi bir parçacık hızlandırma mekanizması kullanın. Parçacık hızlandırma ile birlikte silindirik numuneler test edilirken, çift kanatlı kapan kapak salma mekanizmasını kullanın. Silindirik toz numunesini kapalı olan kapan kapağının üzerine yerleştirin.

Ardından, solenoid mıknatısa elektrik akımı uygulayarak kapanma kapısını açın. Düşük hızlı çarpışma sağlamak için, girdap akımı frenlerinin kapının numune üzerine geri sıçramasını nasıl engellediğine dikkat edin. Hızlar 0.09 meters per second düzeyindedir.

Bir santimetre boyutundaki parçıklardan birini, ip üzerindeki parçıl mekanizmasına; diğer bir santimetre boyutundaki parçık ise tuzak kapak bırakma mekanizmasına, aralarında yedi milimetre mesafe olacak şekilde yerleştirin. Ardından vakumlu cam tüpü kapatın. Tüpteki havanın yavaşça tahliye edilmesini başlatmak için vakum pompalarına giden valfi dikkatlice açın.

Ardından, serbest bırakma mekanizmalarının zaman gecikmesini dokuz milisaniyeye ayarlayın. Bu, önce üst toz agregasının, dokuz milisaniye sonra ise alt parçacığın serbest bırakılacağı anlamına gelir; kamera ise bu iki işlem arasında serbest bırakılacaktır. Daha sonra kameraları serbest bırakma ünitelerine takın ve aydınlatmayı açın. Ardından sürekli kaydı başlatın.

Bir milibardan daha iyi olan istenen vakum değerine ulaşıldığında, zamanlayıcı dizisini başlatmak için bırakma düğmesine basın; deney tamamlandığında, yüksek hızlı kameralar tarafından kaydedilen görüntü dizilerini bir bilgisayara indirin. Öncelikle bir numuneyi çift kanatlı tuzak kapak bırakma mekanizmasına, diğerini ise lineer sahne hızlandırıcısının numune tutucusuna yerleştirerek yüksek hızlı çarpışma için beş santimetre çapında ve yüksekliğinde iki adet silindirik numune hazırlayın. Numuneler yerleştirildikten sonra, cam tüpü mühürleyip tüpteki havayı tahliye etmek için vakum valfini açarak hazneye daha önce olduğu gibi hazırlık yapın.

Ardından, serbest bırakma mekanizmasının ve doğrusal hızlandırıcının zamanlamasını istenen koşullara göre ayarlayın. Daha sonra, uygun aydınlatmayı açın ve yüksek hızlı kamera ile kayıt almaya başlayın. 0,01 millibar'dan daha iyi olan istenen vakum değerine ulaşıldığında, çarpışmayı başlatmak için serbest bırakma düğmesine basın.

Farklı boyutlardaki agregatlar için daha önce yapıldığı gibi kameralar tarafından kaydedilen görüntü dizilerini indirin. Büyük numuneyi bir bırakma mekanizmasına yerleştirin, ardından daha küçük numuneyi hızlandırıcının numune tutucusuna yerleştirin. Monodispers küresel ve polidispers düzensiz silika partiküllerine ait bu elektron mikroskobu görüntüleri, laboratuvar düşme kulesi deneylerinde kullanılan numunelerin fiziksel özelliklerini göstermektedir.

Toz agregatları; bir santimetre, iki santimetre ve beş santimetre çaplarında toz silindirleri ile bir santimetre ve iki santimetre çaplarında toz küreler dahil olmak üzere çeşitli örnek boyutlarında ve şekillerinde hazırlanabilir. Ayrıca, silindirik bir toz agregat örneğinin iç yapısının X-ışını tomografisi rekonstrüksiyonu kullanılarak, iki ila üç milimetre boyutundaki ışık saçan küre kümeleri kullanılabilir. Bu yüksek gözenekli örneğin, milimetre boyutundaki toz agregatları kullanılarak bir araya getirildiği açıkça görülmektedir.

Gri tonlama, hacim doluluk faktörünü, yani numunenin kütle yoğunluğunun monomer toz partiküllerinin materyal yoğunluğuna oranını belirtir; çarpışma sonrası ve çarpışma öncesi hızları türetmek için partikül konumları zamanla takip edilerek seken çarpışma hızları analiz edilmiştir. Bu değerlerin oranına geri sıçrama katsayısı denir ve çarpışmadaki enerji kaybını tanımlar. Analiz edilen geri sıçrama katsayıları, çarpışma hızlarına karşı grafiğe dökülmüştür.

Küresel tozlar, agregatlar ve silindirik toz agregatları arasındaki çarpışmalara ait veriler, çarpma hızı arttıkça geri dönme katsayısının azaldığına dair bir eğilim göstermektedir. Uzmanlaşıldığında, bu teknik doğru şekilde uygulandığında bir saat içinde tamamlanabilir. Mikrometre boyutundaki parçacıklarla çalışmak son derece tehlikeli olabilir; bu nedenle işlem sırasında koruyucu maskeler, eldivenler ve buna benzer aspiratör davlumbazlar gibi önlemler her zaman alınmalıdır.