Laboratoire baisse Towers pour la simulation expérimentale de collisions poussière globales dans le système solaire précoce

Engineering
 

Summary

Nous présentons une technique pour obtenir à faible vitesse de collisions intermédiaire vitesse entre les agrégats de poussière fragiles dans le laboratoire. A cet effet, deux configurations goutte-tour à vide ont été mis au point qui permettent des vitesses de collision entre <0,01 et ~ 10 m / sec. Les événements de collision sont enregistrées par imagerie à grande vitesse.

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Blum, J., Beitz, E., Bukhari, M., Gundlach, B., Hagemann, J. H., Heißelmann, D., Kothe, S., Schräpler, R., von Borstel, I., Weidling, R. Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System. J. Vis. Exp. (88), e51541, doi:10.3791/51541 (2014).

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Abstract

Aux fins de l'enquête sur l'évolution des agrégats de poussière dans le système solaire tôt, nous avons développé deux tours de chute de vide dans lequel les agrégats de poussière fragiles avec des tailles allant jusqu'à ~ 10 cm et porosités jusqu'à 70% peuvent être entrés en collision. Une des tours d'abandon est principalement utilisé pour des vitesses très faible impact en dessous de 0,01 m / s et fait usage d'un double mécanisme de libération. Les collisions sont enregistrés en stéréo-vue par deux caméras à grande vitesse, qui tombent le long du tube en verre sous vide dans le cadre des deux agrégats de poussière centre de masse. L'autre Tour de chute libre rend l'utilisation d'un accélérateur électromagnétique qui est capable d'accélérer doucement agrégats de poussières à un maximum de 5 m / sec. En combinaison avec la sortie d'un autre agrégat de poussière à la chute libre, la collision des vitesses allant jusqu'à ~ 10 m / s peut être atteint. Ici, deux caméras haute vitesse fixe enregistrent les événements de collision. Dans les deux tours d'abandon, les agrégats de poussières sont en chute libre au cours de la collision de sorte qu'ils sont en état d'apesanteur et correspondent à l'conditions dans le système solaire primitif.

Introduction

Il est généralement admis que la formation de la planète commence par l'accumulation non-gravitationnelle de microscopiques grains de poussière dans de plus grands agrégats de poussière (voir l'étude de Blum & Wurm) 1. Les particules de poussière se heurtent dans leurs disques protoplanétaires due au mouvement brownien, mouvements relatifs de la dérive et de la turbulence du gaz de la nébuleuse (voir la revue de Johansen et al.) 2. Si les vitesses de collision sont suffisamment faibles, les particules de poussières se collent ensemble pour former des agglomérats plus grands. Une multitude de mesures en laboratoire au cours des dernières années ont conduit à un modèle de collision poussière globale qui prédit le résultat d'une paire d'agrégats de poussière avec des masses arbitraires et des vitesses de collision 3. Les résultats de collision de base sont collés (en général pour les petites masses globales et des vitesses de collision faible), le rebondissement et la fragmentation (pour des vitesses élevées d'impact). Cependant, les transitions entre ces phases ne sont pas nettes et il existe d'autresrésultats, comme, par exemple, le transfert de masse ou de l'érosion. L'application de ce modèle à un disque protoplanétaire typique prédit la croissance des agrégats de poussière cm de taille au sein de quelques milliers d'années 4. La présence d'agrégats de poussière cm de taille a été étudiée par des observations astronomiques au cours des dernières années et peut maintenant être considérée comme établie (voir la revue de Testi et al.) 5, de sorte que nous concluons que le mécanisme principe selon lequel les premiers organismes macroscopiques chez les jeunes systèmes planétaires se forment a été identifié.

Toutefois, la poursuite de la croissance à des organismes d'au moins la taille des kilomètres n'est pas si clair. Pour la région de Terre-planète, deux hypothèses sont actuellement discutées (voir aussi les commentaires récents sur cette question par Johansen et al 2 et Testi et al 5.).: (I) la concentration des agrégats de poussière cm de taille, par exemple par la le streaming instabilité 6 et gravit la suiteeffondrement ational 7,8 et (ii) la croissance de quelques «gagnants» à de plus grandes tailles avec ultérieure accrétion de masse par le processus de transfert de masse 9,10,11. Dans les deux modèles, les agrégats de poussière cm taille subissent un très grand nombre de collisions mutuelles faible à une vitesse modérée. On ne sait pas ce que les résultats possibles de ces collisions (en plus de rebondissement) sont.

Pour améliorer le modèle de collision poussière total par Güttler et al. 3 et à étudier plus en détail les collisions entre les agrégats de poussière macroscopiques dans les régimes de vitesse pertinents, nous mettre en place deux tours d'abandon dans notre laboratoire, dans lequel les collisions agrégats total individuelles peuvent être étudié dans les moindres détails dans des conditions de vide et microgravité. Les deux tours de chute possèdent une hauteur de chute libre de 1,5 m, ce qui limite la durée d'observation à ~ 0,5 sec. Ainsi, nous observons les collisions par des caméras à haute vitesse avec le format mégapixels et jusqu'à 7500 images par seconde.Pour un contraste maximum et des vitesses d'enregistrement élevés, éclairage sur fond clair est choisi. L'éclairage est donc fournie par des panneaux LED de haute intensité et homogénéisé par des écrans de diffusion. Ainsi, les caméras à haute vitesse voir la poussière collision regroupe des objets sombres en face d'un écran éclairé. Pour éviter le scintillement, les voyants sont alimenté en courant continu.

Pour atteindre des vitesses de collision faible, les deux agrégats de poussière sont placés au-dessus de l'autre dans un double mécanisme de libération. Libérer l'ensemble supérieure un temps de t avant les résultats d'un plus bas à une vitesse relative de v = gt, avec g = 9,81 m / s 2 étant l'accélération gravitationnelle de la Terre. Les deux caméras à haute vitesse, qui considèrent la collision de deux directions 90 ° dehors, sont généralement libérés entre les deux agrégats de poussière (typiquement t / 2 après la particule supérieure). Les appareils fonctionnent en mode continu d'enregistrement, qui est terminé par l'impact de la caméraporteurs en seaux de sable. La vitesse maximale dans ce mode de fonctionnement est de 1000 images par seconde en résolution mégapixels. Avec cette configuration, les vitesses en dessous de 0,01 m / s ont été atteints. En raison des limites de la configuration mécanique du mécanisme de libération double, la vitesse maximale de collision relative est ~ 3 m / sec. Les collisions impliquant des agrégats de poussière avec un maximum de 5 cm de diamètre ont été étudiés dans ce tour de chute. Pour des vitesses plus élevées de collision jusqu'à environ 10 m / sec, un second tour de chute est utilisée, qui est équipé d'un accélérateur électromagnétique qui est capable d'accélérer facilement la poussière agrégats jusqu'à 5 m / sec dans une direction verticale vers le haut. L'autre agrégat de poussière est tenu par une trappe mécanisme de libération à double aile et peut être libéré sans rotation en chute libre à un moment donné. Ici, cela n'a pas de sens d'utiliser des caméras en chute libre. Nous utilisons plutôt deux caméras haute vitesse fixes avec jusqu'à 7500 images par seconde et une résolution mégapixel. En raison de la plus grande diameter de cette tour de chute, la poussière agrégats jusqu'à (et éventuellement au-dessus) de 10 cm de taille peuvent être utilisés.

Protocol

ATTENTION: En fonction de la dangerosité des particules utilisées, qui peuvent être trouvés dans les fiches de données de sécurité correspondantes, la protection de la bouche et l'équipement de sécurité doit être porté par la personne qui travaille avec la poussière. Il est également recommandé d'utiliser un système d'aspiration pour garder l'air sans poussière ambiante.

1. Préparation des échantillons de poussière agrégats cm taille

  1. Calculer la quantité de matériau nécessaire par m = Φ ρ 0 V,m est la masse requise, Φ est le volume de remplissage facteur désiré (volume facteur de remplissage = 1 - porosité), ρ 0 est la densité de la matière, et V est le volume de l'échantillon. 0 = 2,6 g / cm 3) est nécessaire 77 g de poudre de silicate irrégulière pour obtenir un échantillon de porosité de 70% (volume facteur de remplissage = 0,3) pour un échantillon cylindrique de 5 cm de diamètre et la hauteur, respectivement.
    Remarque: Formation de pla terrestrefilets commence par coagulation des grains de poussières de taille micrométrique - principalement composées de silicates - dans des corps poreux cm de taille. Un matériau laboratoire analogique bien étudiée et adaptée est SiO 2, qui est disponible sous forme de poudre de forme irrégulière avec une distribution de taille allant de 0,5 à 10 um, ainsi que sous la forme de grains sphériques monodisperses pour mieux comparer à des modèles théoriques (voir le tableau 1 et Figure 1).
SiO 2-monomère type de grain Fabricant diamètre de particule La forme des particules Exemple chiffre
Monodisperse Micromod 1,52 ± 0,06 et# 181; m Sphérique La figure 1 (à gauche)
Polydisperse Sigma-Aldrich De 0,1 à 10 um Irrégulier Figure 1 (à droite)

Tableau 1. Caractéristiques des particules de SiO 2 utilisés dans les expériences de collision poussière et d'agrégats.

Figure 1
Figure 1. Images microscopie électronique de la monodisperse (à gauche) et polydisperse (à droite) SiO 2 particules utilisées pour la production d'agrégats de poussière macroscopiques. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Prendre un récipient avec des particules de SiO 2 de taille micrométrique (voir le tableau 1) et verser son contenu sur un tamis d'une ouverture de maille de 0,5 mm. Tamiser une quantité suffisante de matériau et de remplir la masse calculée dans le moule. Comprimer le matériau dans le moule en poussant un piston dans la main jusqu'à ce que la hauteur de l'échantillon est atteinte (par exemple, 5 cm). Tourner autour du moule sur le piston, ouvrir la plaque de base et poussez doucement l'échantillon sur.
Note: Les échantillons peuvent être produites dans plusieurs formes (sphériques et cylindriques), la taille (1 mm à 10 cm) et des porosités (60 à 85%) (voir la figure 3). Les échantillons peuvent ensuite être utilisées individuellement dans les expériences de collision ou combinés en groupes, qui entrent en collision avec les autres alors agrégats ou amas.

Figure 2
Figure 2. Droits de. la variation de tailles et de formes d'échantillons de poussière agrégée Les exemples suivants sont présentés: cylindres de poussière avec 1 cm, 2 cm et 5 cm de diamètre (rangée arrière), les sphères de la poussière avec 1 cm et 2 cm de diamètre (rangée du centre), et 2-3 mm de taille Al 2 O 3 sphères (avant). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

  1. Caractériser les échantillons par rapport à la porosité et l'homogénéité. Si les échantillons tombent en dehors des marges autorisées, produire de nouveaux échantillons.
    1. Afin de déterminer la porosité de l'échantillon de poussière, de déterminer son volume par la mesure de ses dimensions et sa masse au moyen d'une balance précise.
    2. Utiliser la tomographie à rayons X (XRT) 12 pour obtenir des informations sur l'homogénéité et la distribution de taille de pore de l'échantillon de produit.
      Note: Pour les agrégats de poussière 5 cm-taille, nous avons constaté des écarts par rapport au volume moyen de remplissage factor, à savoir le rapport de la densité de masse de l'échantillon et la densité de la matière des particules de monomère-poussière, d'environ 1% seulement au sein de la plus grande partie du volume des échantillons et une augmentation légèrement plus grande du facteur de remplissage de volume d'un maximum de 8% vers les limites extérieures 12. figure 3 montre une reconstruction de XRT d'une coupe à travers un agrégat de poussière cylindrique de 5 cm de diamètre et de 5 cm de hauteur. Nous n'utilisons pas de XRT pour chaque agrégat de poussière, mais examinons la structure interne et l'homogénéité des échantillons aléatoires.

Figure 3
Figure 3. Reconstruction de la structure interne d'un échantillon de poussière globale cylindrique de 5 cm de hauteur et 5 cm de diamètre après analyse XRT. L'échelle de gris représente le facteur de remplissage du volume, qui est le rapport de la densité de la masse de til échantillon et la densité de la matière des particules de la poussière de monomère. De la reconstruction XRT, il est clairement visible que cet échantillon à haute porosité a été assemblé à partir des agrégats de poussière mm de taille. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

2. Principe de tour de chute installation

  1. mécanismes de sortie:
    Dans la partie supérieure de la tour de chute deux mécanismes de dégagement sont fixées l'une sur l'autre. Chacun d'eux détient un échantillon et libère en chute libre. La différence de temps entre la libération de la partie supérieure et la particule inférieure détermine la vitesse relative de la collision. Selon la morphologie et la forme des particules, des mécanismes de libération appropriés sont choisis. Si un mécanisme d'accélération de particules est utilisé, un seul mécanisme de libération est nécessaire.
    1. Mécanisme de libération de particules sur une chaîne (échantillons sphériques, upper particules):
      Ce mécanisme de libération est constitué d'un aimant solénoïde linéaire et une contre-pièce de métal solide.
      1. Fixez la particule d'être libéré à une chaîne. Maintenez la corde en place par serrage entre l'aimant solénoïde et le compteur solide morceau de métal.
      2. Pour libérer la particule, appliquer un courant électrique à l'électroaimant (voir film 1).
    2. Trappe mécanisme de libération (échantillons sphériques, particules inférieure):
      Ce mécanisme de libération est constitué d'un aimant solénoïde rotatif à laquelle le titulaire d'une particule est attaché.
      1. Placer la particule dans un moule semi-sphérique, qui est tournée vers le bas par un solénoïde rotatif, lorsqu'un courant électrique est appliqué (voir le film 1).
      2. Ce mécanisme peut également être utilisé pour la libération des amas de particules ou d'agrégats massifs. Dans ce dernier cas, monter deux mécanismes de libération trappe dessus de l'autre (voir Film 2).
      3. mécanisme de type ciseaux à double libération (échantillons cylindriques):
        Ce mécanisme de déclenchement se compose de deux paires d'aimants électromagnétiques rotatifs pour laquelle une tige métallique est fixée. Les deux aimants magnétiques de chaque mécanisme de libération sont placés de telle sorte que les deux tiges de métal sont parallèles.
        1. Placez les deux échantillons sur les deux tiges parallèles chacun.
        2. Appliquer un courant électrique aux deux électro-aimants de rotation pour libérer les particules en chute libre. (Voir Movie 3).
      4. Mécanisme de double-aile trappe de presse (échantillons cylindriques, en combinaison avec le mécanisme d'accélération de particules):
        Ce mécanisme de déclenchement est constitué de deux plaques de métal à ressort, qui forment ensemble un support de particules en forme de v. Les deux plaques métalliques sont maintenues en place par une tige métallique, qui est fixé à un aimant solénoïde rotatif.
        1. Placer l'échantillon de poussière cylindrique sur la trappe fermée.
        2. Déverrouillez la trappe en appliquantun courant électrique à l'électroaimant. Pour éviter rebond-arrière des portes, freins à courants de Foucault les arrêter (voir Film 4).
          Remarque: Il est important de libérer les particules en chute libre sans vitesse initiale et rotation. A cet effet, plusieurs mécanismes de libération ont été développés (2.1.1 - 2.1.4).
    3. mécanismes d'accélération des particules:
      Accélère les particules, soit par un ressort pré-chargé, soit par une étape d'électro-linéaire à entraînement magnétique. Les deux accélérateurs peuvent être équipés de porte-échantillons pour les particules de formes différentes.

    4. L'électronique de commande:
      Réglez la minuterie et libérer électronique pour les valeurs appropriées pour atteindre la vitesse de collision désiré et faire fonctionner la caméra dans un cadre de centre de masse.
      Remarque: La date de la libération de particules, l'accélération des particules et de la caméra de presse est assurée par un ensemble de compteurs électroniques, dont la fonctionnalité est expliqué dans Movie 5.

    3. Expériences Performing

    1. Collisions à basse vitesse (petite tour de chute):
      1. Charger les échantillons dans le type de ciseaux double mécanisme de libération et fermer le tube de verre sous vide.
      2. Lancer évacuation et définir les paramètres de la minuterie.
      3. Fixez caméras à leurs unités de libération magnétiques. Début de l'enregistrement de la caméra continue.
        Remarque: En raison de la forte intensité de l'éclairage à champ lumineux LED, un temps d'exposition suffisamment court de la caméra à grande vitesse peut être choisi de telle sorte que le mouvement des particules lors de l'exposition est négligeable. En plus de cela, l'ouverture du diaphragme de l'objectif de la caméra doit être réglée à des valeurs suffisamment élevées pour étendre la profondeur de mise au point sur la totalité du diamètre de la tour de chute.
      4. Lorsque la qualité de vide désiré est atteint, allumer l'éclairage, appuyez sur le bouton de démarrage et télécharger les séquences d'images.
    2. Collisions à haute vitesse (tours de grande chute):
      1. Charger les échantillons dans la double victoireg trappe mécanisme de libération et de l'accélérateur et fermer le tube de verre sous vide.
      2. Lancer évacuation et définir les paramètres de la minuterie.
      3. Début de l'enregistrement de la caméra continue. Lorsque la qualité de vide désiré est atteint, allumer l'éclairage et appuyez sur le bouton de démarrage. Télécharger les séquences d'images.
        Remarque: En raison de la forte intensité de l'éclairage à champ lumineux LED, un temps d'exposition suffisamment court de la caméra à grande vitesse peut être choisi de telle sorte que le mouvement des particules lors de l'exposition est négligeable. En plus de cela, l'ouverture du diaphragme de l'objectif de la caméra doit être réglée à des valeurs suffisamment élevées pour étendre la profondeur de mise au point sur la totalité du diamètre de la tour de chute.

    4. Exemples Des expériences

    1. Charger les échantillons avec précaution dans le mécanisme de libération approprié.
      1. Collisions à basse vitesse (mécanisme de libération à double; 0,09 m / s): 5 cm contre 5 cm, rebondissant.
        Charger les échantillons en deux mécanismes de libération de type ciseaux. Àatteindre des vitesses de collision de 0,09 m / sec, placez le particules 7 mm et fixer le délai des mécanismes de libération de 9 ms.
        Remarque: Lors de cette vitesse d'impact, les échantillons de poussière rebondissent sur l'autre après le choc. La séquence d'image est capturée par une caméra à haute vitesse en chute libre (voir film 6).

      2. Collisions à grande vitesse (accélérateur électromagnétique; 7,4 m / s): 2 cm par rapport à 2 cm, la fragmentation.
        Chargez un échantillon sur la trappe mécanisme de libération à double aile; placer l'autre sur le porte-échantillon de l'accélérateur linéaire étapes échantillon.
        Remarque: Pour atteindre des vitesses de collision de 7,4 m / s, l'agrégat de poussière inférieur est bon accéléré vers le haut avec 2 g, tandis que simultanément l'ensemble de poussière supérieure tombe. À une vitesse relative de 7,4 m / sec, le fragment d'échantillons de poussières (voir Film 7).

      3. Collision à grande vitesse de petits agrégats sur de grands agrégats: 0,5 cm contre 5 cm, le transfert de masse.
        e de chargee grand échantillon sur un mécanisme de type ciseaux de presse; placer l'échantillon sur le support inférieur de l'accélérateur de ressort de l'échantillon.
        Remarque: Pour atteindre des vitesses de collision nécessaires pour le transfert de masse, l'agrégat de poussière inférieur est bon accéléré vers le haut, tandis que simultanément l'ensemble de poussière supérieure tombe. A cette vitesse relative, les fragments et les transferts d'une petite quantité de masse sur l'échantillon plus large échantillon plus petites. Comme l'appareil tombe le long de la (plus massive) particule supérieure, les images prises par la caméra à haute vitesse donnent l'impression d'une grosse particule plus ou moins au repos (voir Film 8), ce qui n'est pas vrai que vu de l'extérieur la tour de chute.
    2. Fermer le tube de verre sous vide.
    3. Ouvrez avec précaution la soupape de dépression aux pompes à commencer l'évacuation lente et régler les paramètres de la minuterie à la différence de temps nécessaire à la vitesse de collision souhaitée.
    4. Fixez caméras à leurs unités de libération (si les caméras en chute libre sont utilisés).Début de l'enregistrement de la caméra continue et allumer l'éclairage.
    5. Lorsque la qualité de vide désiré est atteint, appuyez sur le bouton de déverrouillage pour lancer la séquence de temporisation.
    6. Télécharger les séquences d'images enregistrées par les caméras à haute vitesse à un ordinateur.

    5. Analyse des données

    1. Choisissez une valeur de gris de seuil approprié entre le fond et la valeur de gris des objets. Créer une image binaire en fonction de ce seuil par la mise en pixels avec des valeurs de gris au-dessus du seuil de blanc (valeur binaire 1) et les pixels avec des valeurs de gris inférieurs au noir (valeur binaire 0).
    2. Déterminer la position du centre de masse des particules dans chacune des images. Une bonne approximation pour déterminer le centre de masse de particules symétriques est le centre de la surface projetée. Elle est calculée à partir d'images numérisées.
    3. Utiliser la position relative des centres de masse des objets et l'information de temps à partir des images de la caméra pour calculer l'vitesse relative (voir Film 9). Les pentes de la courbe de position sont indiqués sur la droite côté de film 9.
      1. Dans le cas d'une collision de rebondissement, de déterminer les vitesses relatives avant et après le contact. Calculer le coefficient de restitution, c'est à dire le rapport de la vitesse après la collision et avant. Tracer la vitesse relative par rapport au coefficient de restitution. Un exemple de cette analyse est représenté sur la figure 4.

    Figure 4
    Figure 4. Exemple de l'analyse de rebondissement collisions. Le coefficient de restitution, c'est à dire le rapport de la vitesse de rebond et la vitesse d'impact, est tracée en fonction de la vitesse de collision. Les cercles indiquent les données pour les agrégats de poussière sphériques de 2 cm diater 13 (voir figure 2), les triangles indiquent les collisions entre les agrégats de poussières cylindriques de 5 cm de diamètre et 5 cm de hauteur (voir figure 2) et deux facteurs de remplissage de volume différents de 0,3 et de 0,4, respectivement 12. Les données montrent une tendance à la baisse coefficient de restitution avec l'augmentation de la vitesse d'impact. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

    1. Si un ou deux particules fragment, déterminer la taille du plus grand nombre des plus grands fragments que possible par la mesure de leurs domaines respectifs et projetées en supposant des formes appropriées.
      1. Si la fragmentation d'une seule particule se produit, il transfère habituellement une certaine quantité de la masse de la particule survivant. Déterminer la quantité de masse transférée en mesurant le volume accumulée, en supposant une forme et une porosité appropriée pour quantifier la masse transfer efficacité.

Representative Results

En utilisant les échantillons de poussière total bien caractérisées décrites dans le protocole (voir les figures 1-3), une collision observée dans l'une des tours d'abandon de laboratoire donnera des informations scientifiquement valable sur les résultats de collisions similaires dans les disques protoplanétaires. Jusqu'ici, nous avons étudié de façon systématique les résultats de collision de 2 cm dimensionnés agrégats de poussières sphériques (avec un volume de facteurs de 0,5 remplissage) dans la plage de vitesse comprise entre 0,008 et 2,02 m / s 13 et de 5 cm de taille des agrégats de poussières cylindriques (avec un volume facteurs de remplissage entre 0,3 et 0,5) dans la plage de vitesse comprise entre 0,004 et 2 m / s 12. Nous avons trouvé rebondir entre les agrégats de poussière que le résultat dominant pour les vitesses inférieures à ~ 0,4 m / s pour les deux types d'agrégats de poussière (voir film 6 pour un exemple). Sur la figure 4, le coefficient de restitution de ces collisions rebondissement est signalée. Les cercles indiquent les expériences avec 2échantillons sphériques de taille cm 13 et les triangles représentent les résultats des collisions entre 5 cm cylindres de poussière de taille avec deux emballage différentes densités 12. Bien que les coefficients de restitution des expériences individuelles se dispersent largement, la valeur moyenne du coefficient de restitution diminue avec l'augmentation de la vitesse de collision.

Les agrégats de poussière fragmentent généralement lors de l'impact pour des vitesses supérieures à ~ 1 m / s (voir Film 7 pour un exemple). Pour des vitesses comprises entre 0,4 et ~ ~ 1 m / sec, la fragmentation d'un seul des deux agrégats de poussières entrant en collision peut se produire. Dans ce cas, l'ensemble de la poussière non-fragmentation gagne quelques pour cent de la masse par transfert de masse 13. Les limites de vitesse mentionnés ci-dessus ne sont pas nettes, mais représentent environ où les frontières entre les différents régimes se situent 2,11. Pour les collisions entre les agrégats de poussière de différentes tailles et vitesses modérées, les impacts ne seront généralement pas conduire t o la fragmentation de la plus grande des deux agrégats de poussières. A l'inverse, les plus grands corps augmentent leur masse par transfert d'une partie de la masse des petits percuteurs (voir Film 8).

Pour les cas dans lesquels les deux agrégats de poussières rebondissent sur une autre, le transfert de l'énergie cinétique de translation avant la collision (noter que les agrégats de poussières ne tournent pas avant la collision) en énergie de translation cinétique, l'énergie cinétique de rotation, et l'autre ( dissipative) les canaux d'énergie (par exemple, de compactage des agrégats de poussières) peuvent être déterminées. Nous avons constaté que pour les collisions centrales (dans laquelle l'énergie de rotation peut être négligé) la quantité relative d'énergie dissipée augmente fortement avec l'augmentation de la vitesse et est plus élevé pour les volumes inférieurs des facteurs de remplissage de la poussière agrégats 12. Ce comportement peut être modélisé par simulations de dynamique moléculaire 12.

TTP :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 "target =" _blank "> Film 1. vidéo haut débit (joué au ralenti) de la particule-sur-un-chaîne ( haut) et le mécanisme de libération trappe (en bas).

Movie 2 . vidéo haut débit (joué au ralenti) du mécanisme de double trappe de presse. Les deux échantillons sont des touffes de Al 2 O 3 particules de 2 mm de diamètre, qui restent confinés pendant la chute libre en raison de la très faible perturbation lors de la libération.

Movie 3 . vidéo haut débit (joué au ralenti) du type de ciseaux double mécanisme de libération.

Film4. Séquence vidéo haute vitesse (joué au ralenti) de la trappe mécanisme de libération à double aile.

Film 5 . Animations de l'électronique de temporisation de commutation du mécanisme supérieur et inférieur de presse ainsi que l'appareil photo de presse de la chute libre.

Film 6 . vidéo haut débit (joué au ralenti) d'une collision rebondir entre deux cylindres de poussière total de 5 cm de taille. Les deux agrégats de poussière sont libérées par le type de ciseaux double mécanisme de libération et entrent en collision avec 0,09 vitesse m / sec.

Film 7 . vidéo haut débit (joué au ralenti) de deux agrégats de poussière cylindriques 2 cm-taille colliding à une vitesse relative de 7,4 m / sec. Les deux agrégats se fragmentent complètement.

Film 8 . vidéo haut débit (joué au ralenti) d'un agrégat 5 mm taille poussière heurte une cible solide cylindrique de 5 cm-taille. Comme la vitesse de 4,3 m / sec impact est supérieure à la vitesse de fragmentation du petit agrégat de poussière, ce se brise et transfère une partie de sa masse de la cible, ce qui est clairement visible dans le film.

Film 9 . Détermination des trajectoires des particules par un algorithme semi-automatique de particules suivi. Ici, la collision entre deux deux agrégats de poussière sphériques cm de taille est indiquée.

Discussion

En raison de la précision mécanique élevée, la vitesse de deux tours de chute de défaillance est extrêmement faible. Ceci est d'une importance capitale, car la préparation de l'échantillon peut prendre plusieurs heures, selon la taille, la forme et la porosité des agrégats de poussières souhaités. Il convient de mentionner que les gros agrégats de poussières avec des porosités très élevées sont extrêmement fragiles et, par conséquent, difficile à manipuler. Il se peut que ces agrégats de poussière cassent lors de l'extraction hors du moule ou le transfert à la tour de chute. Dans ces cas, un nouvel échantillon doit être préparé. Ainsi, il est important que la petite tour de chute permet fiables (et prévisibles) des vitesses de collision jusqu'à 0,01 m / s ou 11,13. La vitesse la plus basse jusqu'à présent réalisé d'impact était de 0,004 m / sec. Ces petites vitesses d'impact ne peuvent être atteints pour des particules libres dans un environnement de microgravité. La tour de chute de laboratoire est une réalisation pas cher et polyvalent d'une telle installation de microgravité.

Alternave méthodes pour atteindre des vitesses à faible impact utilisent des techniques de lévitation 14,15 (par exemple en lévitation électromagnétique ou aérodynamique) mais généralement induire une force entre les particules entrent en collision, qui doit être pris en compte dans l'analyse des collisions. En outre, la lévitation induit souvent un mouvement de rotation 14, qui, si non désirée, ne permet pas de collisions libre rotation, mais, d'autre part, pourrait même permettre des simulations réalistes de collisions entre les particules en rotation. En cas de lévitation aérodynamique, les effets à coussin d'air au cours de la collision peuvent induire des conditions indésirables qui ne correspondent pas à celles de disques protoplanétaires. Cependant, la lévitation permet de temps d'observation et des expériences reproductibles illimitée de sorte qu'il doit être considéré comme une alternative à la tour de chute si la limite de temps est essentiel. Tous nos efforts jusqu'ici ont été concentrés sur SiO 2 en tant que représentant des silicates dans le terrestre-planète formation région de jeunes systèmes solaires. Comme la plupart de la masse des disques protoplanétaires est concentrée au-delà du point de la glace d'eau de condensation, il est essentiel d'étudier également le comportement de collision des agrégats constitués de H 2 O-grains de glace um taille. Nous sommes en train de mettre en place une tour de chute cryo-vide à cette fin. Il faut noter que les températures dans ces expériences de simulation doit être en dessous de ~ 150 K, ce qui est la température de la dite "ligne de neige" en disques proto (la «ligne de neige" divise les régions intérieures où l'eau est dans la phase vapeur phase à partir des régions périphériques, où il se trouve sous forme de glace d'eau solide). Nous avons montré que la formation de particules de glace d'eau um taille est faisable et que les agrégats ceux-ci peuvent être produites 16 de sorte que nous sommes optimistes d'avoir les premiers résultats sur le comportement de collision dans les 1-2 prochaines années.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Monodisperse SiO2 particles Micromod 43-00-153 Particle diameter 1.52 ± 0.06 µm; particle shape spherical
Polydisperse SiO2 particles Sigma-Aldrich S5631 Particle diameter 0.1 – 10 µm; particle shape irregular

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References

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