Laboratorie Drop Towers för experimentell simulering av Dust-aggregerade kollisioner i tidig solsystemet

Engineering
 

Summary

Vi presenterar en teknik för att uppnå låg hastighet till medelhastighets kollisioner mellan bräckliga stoft aggregat i laboratoriet. För detta ändamål har två vakuum droppe torns uppställningar utvecklats som tillåter kollisionshastigheter mellan <0,01 och ~ 10 m / sek. Kollisions händelser registreras av höghastighets bildbehandling.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

I syfte att undersöka utvecklingen av damm aggregat i början av solsystemet, utvecklade vi två vakuum drop torn där ömtåliga damm aggregat med storlek upp till ~ 10 cm och porositet på upp till 70% kan kolliderat. En av de dropptorn används främst till mycket låga hastigheter konsekvens ner till under 0,01 m / sek och använder sig av en dubbel frigöringsmekanism. Kollisioner spelas in i stereo-vy av två höghastighetskameror, som faller längs glas sugrör i mitten-av-mass ramen för de två damm aggregaten. Den andra fritt fall torn utnyttjar en elektromagnetisk accelerator som är i stånd att försiktigt accelererande dammaggregat till upp till 5 m / sek. I kombination med lanseringen av en annan damm aggregat till fritt fall, snabbar kollision upp till ~ kan uppnås 10 m / sek. Här, två fasta höghastighetskameror registrerar kollisionshändelser. I båda falltorn, damm aggregaten är i fritt fall under kollisionen så att de är viktlös och matchaförhållandena i den tidiga solsystemet.

Introduction

Det är allmänt accepterat att planetbildning börjar med den icke-gravitations anhopning av mikroskopiskt små dammkorn till större damm aggregat (se recension från Blum & Wurm) 1. Dammpartiklarna kolliderar inom sina protoplanetary skivor på grund av Brownsk rörelse, relativglidning rörelser och turbulens nebular gas (se översikt av Johansen et al.) 2. Om kollisionshastigheterna är tillräckligt låga, dammpartiklar fastnar i varandra för att bilda större agglomerat. En uppsjö av laboratoriemätningar under de senaste åren har lett till en damm-aggregat kollision modell som förutsäger resultatet av ett par av damm aggregat med godtyckliga massor och kollisionshastigheter 3. De grundläggande kollisioner resultat sticker (i allmänhet för små samlade massorna och låga kollisionshastigheter), studsande och fragmentering (för hög slaghastighet). Emellertid övergångarna mellan dessa faser är inte skarp och det finns andrautfall, som t.ex. massöverföring eller erosion. Att tillämpa denna modell till en typisk protoplanetary disk förutspår att tillväxten i cm-stora damm aggregat inom några tusen år 4. Förekomsten av cm stora stoftaggregat har undersökts genom astronomiska observationer under de senaste åren och kan nu anses vara etablerad (se recension av Testi et al.) 5, så att vi drar slutsatsen att principen mekanism genom vilken de första makroskopiska kroppar i unga planetsystem formulär har identifierats.

Dock är det fortsatt tillväxt på kroppar av minst kilometerstorlekar inte så tydlig. För mark-planet region är två hypoteser för närvarande diskuteras (se även de senaste recensioner på denna fråga genom Johansen m fl 2 och Testi m.fl. 5..): (I) koncentration i cm-stora stoftaggregat med, t.ex. streaming instabilitet 6 och efterföljande Gravittiva kollaps 7,8 och (ii) tillväxt av några "lyckliga vinnare" till större storlekar med efterföljande mass anhopning av massöverföringsprocessen 9,10,11. I båda modellerna, cm stor stoft aggregat genomgår ett enormt antal ömsesidiga kollisioner vid låga till måttliga hastigheter. Det är oklart vad de möjliga resultaten av dessa kollisioner (förutom studsar) är.

För att förbättra damm samlade kollisionsmodell från Güttler et al. 3 och att undersöka mer i detalj kollisionerna mellan makroskopiska damm-aggregat i de aktuella hastighets regimer, vi inrättat två dropptorn i vårt laboratorium, där individuella aggregerade-aggregat kollisioner kan studeras i detalj under vakuum och mikrogravitation villkor. Båda drop torn har en fri fallhöjd på 1,5 meter, vilket begränsar observationstiden till ~ 0,5 sek. Alltså, vi observera kollisioner med höghastighetskameror med megapixel format och upp till 7.500 bilder per sekund.För maximal kontrast och hög inspelningshastigheter, är ljusfält belysning valts. Belysning är alltså från högintensiva LED-paneler och homogeniseras med diffusor skärmar. Således höghastighetskameror visa kolliderande dammet aggregat som mörka föremål framför en upplyst skärm. För att undvika flimmer, lysdioderna är likströmsdrivna.

För att uppnå låga kollisionshastigheter, är de två damm aggregat placeras ovanför en annan i en dubbel frigöringsmekanism. Frigöra övre aggregat en tid av t innan de lägre en resulterar i en relativ hastighet av v = gt, med g = 9,81 m / s 2 är gravitationsaccelerationen av jorden. De två höghastighetskameror, som visa kollisionen från två håll 90 ° ifrån varandra, är vanligtvis ut i mellan de två dammaggregat (typiskt t / 2 efter den övre partikel). Kamerorna drivs i kontinuerlig tagning, som avslutas av effekterna av kamerainnehavare till sand hinkar. Den maximala bildfrekvensen i detta driftläge är 1.000 bilder per sekund vid upplösning megapixel. Med denna inställning, hastigheter ner till under 0,01 m / sek har uppnåtts. På grund av begränsningar i den mekaniska inställningen av utlösningsmekanismen dubbel, är det maximala relativa kollisionshastighet ~ 3 m / sek. Kollisioner som involverar damm aggregat med upp till 5 cm i storlek har undersökts i denna drop torn. För högre kollisionshastigheter upp till ca 10 m / sekund, en andra dropptorn användes, vilken är utrustad med en elektromagnetisk accelerator som är i stånd att jämnt accelerera damm aggregat upp till 5 m / sek i en vertikal uppåtgående riktning. Den andra damm aggregat hålls av en dubbel-wing fallucka frigöringsmekanism och kan frigöras rotationsfritt i fritt fall vid varje given tidpunkt. Här är det inte meningsfullt att använda fritt fallande kameror. Vi använder hellre två stationära höghastighetskameror med upp till 7.500 bilder per sekund och upplösning megapixel. På grund av den större Diameter av denna droppe torn, samlar damm på upp till (och möjligen ovan) 10 cm i storlek kan användas.

Protocol

OBSERVERA: Beroende på farlighet de använda partiklar, som finns i motsvarande säkerhetsdatablad, ska munskydd och skyddsutrustning bäras av den som arbetar med dammet. Det rekommenderas också att använda ett sug för att hålla den omgivande luften dammfri.

1. Beredning av cm stora dammsamlingsprover

  1. Beräkna mängden erforderlig utrustning med m = Φ ρ 0 V, där m är den nödvändiga massan, är Φ önskad volym fyllnadsfaktor (volym fyllnadsfaktor = 1 - porositet), är ρ 0 materialets densitet och V är volymen av provet. 77 g av oregelbunden silikat stoft 0 = 2,6 g / cm 3) krävs för att uppnå ett prov porositet av 70% (volym fyllnadsfaktor = 0,3) för ett cylindriskt prov av 5 cm diameter och höjd, respektive.
    OBS: Bildning av mark planät börjar med koagulering av mikrometerstora stoftkorn - främst bestående av silikater - i cm stora porösa kroppar. En väl studerade och lämpligt laboratorie analoga materialet är SiO 2, som är tillgänglig som oregelbunden pulver med en storleksfördelning i intervallet från 0,5 till 10 um, samt i form av monodispersa sfäriska korn för bättre jämförbarhet till teoretiska modeller (se tabell 1 och figur 1).
SiO 2-monomer korn typ Tillverkare Partikeldiameter Partikelform Exempel siffra
Monodisperse Micromod 1,52 ± 0,06 &# 181; m Sfärisk Figur 1 (vänster)
Polydispers Sigma-Aldrich 0,1 till 10 ^ m Oregelbunden Figur 1 (höger)

Tabell 1. Kännetecken av SiO 2-partiklar som används i damm sammanlagda kollisionsexperiment.

Figur 1
Figur 1. Elektron-mikroskopi bilder av monodisperst (vänster) och polydisperst (höger) SiO 2-partiklar som används för produktion av makroskopiska damm-aggregat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Ta en behållare med mikrometerstora SiO 2-partiklar (se tabell 1) och häller dess innehåll på en sikt med en maskstorlek av 0,5 mm. Sålla en tillräcklig mängd av materialet och fyll den beräknade massan in i formen. Komprimera materialet i formen genom att trycka in en kolv för hand tills provet höjd uppnåtts (t ​​ex 5 cm). Vänd formen på kolven, öppna bottenplattan och tryck försiktigt provet ut.
Notera: Prov kan framställas i många former (sfäriska och cylindriska), färger (1 mm till 10 cm) och porositeter (60 till 85%) (se figur 3). Prover kan sedan användas individuellt i kollisionsexperiment eller kombineras i kluster, som sedan kolliderar med andra aggregat eller kluster.

Figur 2
Figur 2. Fotografi av. variationen av damm sammanlagda provstorlekar och former Följande exempel visas: damm cylindrar med 1 cm, 2 cm och 5 cm i diameter (bakre raden), damm sfärer med 1 cm och 2 cm i diameter (mittraden), och 2-3 mm stora Al 2 O 3 sfärer (främre). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Karakterisera prover med avseende på porositet och homogenitet. Om proverna faller utanför tillåtna marginaler, producera nya prover.
    1. I syfte att bestämma porositeten hos dammprovet, bestämma dess volym genom mätning av dess dimensioner och dess massa med hjälp av en noggrann balans.
    2. Använd röntgentomografi (XRT) 12 för att få information om homogenitet och por-storleksfördelningen hos det framställda provet.
      OBS: För de 5 cm stora stoftaggregat, fann vi avvikelser från den genomsnittliga volym fyller factor, dvs förhållandet mellan massdensitet av provet och den väsentliga tätheten av monomer-dammpartiklar, av endast omkring 1% i den största delen av volymen av proverna och ett något större ökning av den volym som fyllnadsfaktor med upp till 8% mot de yttre gränserna 12. Figur 3 visar en XRT rekonstruktion av ett snitt genom en cylindrisk damm aggregat av 5 cm diameter och 5 cm höjd. Vi använder inte XRT för varje damm aggregat utan undersöka den interna strukturen och homogenitet av stickprov.

Figur 3
Figur 3. Rekonstruktion av den interna strukturen av en cylindrisk dammsamlingsprov på 5 cm höjd och 5 cm diameter efter XRT analys. Gråskalan betecknar volymfyllnadsfaktor, som är förhållandet mellan massdensitet av than sampla och materialets densitet av monomeren-dammpartiklar. Från XRT rekonstruktion, är det tydligt att denna hög porositet prov monterades med hjälp mm stora stoftaggregat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

2. Principen om Drop Tower Setup

  1. Release mekanismer:
    I den övre delen av dropptornet två utlösningsmekanismer är fastade en ovanpå den andra. Var och en av dem har en samplings-och frisätter den i fritt fall. Tidsskillnaden mellan frisättningen av den övre och den undre partikel bestämmer den relativa hastigheten av kollisionen. Enligt den morfologi och formen hos partiklarna, är lämpliga mekanismer frisättning väljs. Om en partikelaccelerationsmekanism används, endast en frigöringsmekanism krävs.
    1. Partikel-on-a-sträng funktionen (sfäriska prover, UppER partikel):
      Denna frigöringsmekanism består av en linjär solenoid magnet och en fast metall motstycket.
      1. Fäst partikeln att släppas till en sträng. Hålla strängen på plats genom att spänna fast den mellan solenoiden magneten och fast metall motstycket.
      2. För att frigöra den partikel, applicera en elektrisk ström till magnet magnet (se Movie 1).
    2. Trap-dörröppningsmekanismen (sfäriska prover, lägre partikel):
      Denna frigöringsmekanism består av en roterande solenoid magnet till vilken en partikel hållaren är monterad.
      1. Placera partikeln in i en halvsfärisk form, vilken roteras nedåt av en roterande solenoid när en elektrisk ström appliceras (se Movie 1).
      2. Denna mekanism kan också användas för frisläppande av partikelkluster eller aggregerade klumpar. I det senare fallet, montera två trap-dörrstängningsanordning ovanför varandra (se film 2).
      3. Scissor-typ dubbel frigöringsmekanism (cylindriska prover):
        Denna frigöringsmekanism består av två par av roterande magnetmagneter, till vilken en metallstång är fäst. De två magnet magneter av varje frigöringsmekanism är placerade så att de två metallstavar är parallella.
        1. Placera de två proven på de två parallella stänger vardera.
        2. Applicera en elektrisk ström till de två roterande magnetventiler för att släppa partiklarna i fritt fall. (Se film 3).
      4. Dubbeldörrar lucka funktionen (cylindriska prover, i kombination med partikelaccelerationsmekanism):
        Denna frigöringsmekanism består av två fjäderbelastade metallplattor, vilka tillsammans bildar en V-formad partikel hållaren. De två metallplattor är hålls på plats av en metallstav, vilken är fäst vid en roterande solenoid magnet.
        1. Placera den cylindriska dammprov på den stängda lucka.
        2. Lås upp lucka genom att tillämpaen elektrisk ström till solenoiden magneten. För att undvika att studsa tillbaka av dörrarna, virvelströmsbromsar stoppa dem (se Movie 4).
          Anmärkning: Det är viktigt att frigöra partiklarna i fritt fall utan initial hastighet och rotation. För detta ändamål flera mekanismer frisättning har utvecklats (2.1.1 - 2.1.4).
    3. Partikelacceleratormekanismer:
      Accelererar partiklarna antingen genom en förspänd fjäder eller med ett elektromagnetiskt drivna linjära skede. Båda acceleratorer kan utrustas med provhållare för olikformade partiklar.

    4. Styrelektronik:
      Ställ in timern och släpp elektronik till lämpliga värden för att uppnå önskad kollisionshastigheten och att styra kameran på ett center-of-massa ram.
      Obs: Tidpunkten för partikeln release, partikelacceleration och kamera frisättning utförs av en uppsättning av elektroniska timrar, vars funktion förklaras i MOvie 5.

    3. Performing Experiment

    1. Låg-hastighet kollisioner (liten droppe tower):
      1. Last prover in i sax-typ dubbel frigöringsmekanism och nära vakuum glasrör.
      2. Starta evakuering och ställa timer parametrar.
      3. Bifoga kameror till deras magnetiska frigörare. Starta kontinuerlig kamerainspelning.
        OBS: På grund av den höga intensiteten av LED ljusfält belysning, kan en tillräckligt kort exponeringstid för höghastighetskamera väljas så att partikelrörelse under exponeringen är försumbar. På toppen av det, måste den f-stop kameramålet vara inställd på hög nog värden för att utöka djupet i fokus över hela diametern på dropptorn.
      4. När den önskade vakuumkvaliteten uppnås, slå på belysningen, tryck på startknappen och ladda ner bildsekvenser.
    2. Höghastighetskollisioner (stor droppe tower):
      1. Fyll på prov i den dubbel-wing trap-dörröppningsmekanismen och accelerator och stäng vakuum glasrör.
      2. Starta evakuering och ställa timer parametrar.
      3. Starta kontinuerlig kamerainspelning. När den önskade vakuumkvaliteten uppnås, slå på belysningen och tryck på startknappen. Ladda ner bildsekvenser.
        OBS: På grund av den höga intensiteten av LED ljusfält belysning, kan en tillräckligt kort exponeringstid för höghastighetskamera väljas så att partikelrörelse under exponeringen är försumbar. På toppen av det, måste den f-stop kameramålet vara inställd på hög nog värden för att utöka djupet i fokus över hela diametern på dropptorn.

    4. Exempel Experiment

    1. Ladda proverna försiktigt in i mekanismen lämplig release.
      1. Lågfartskrockar (Urhuggningsanordningar dubbel, 0,09 m / sek): 5 cm jämfört med 5 cm, studsar.
        Ladda proverna i två sax-typ utlösningsmekanismer. Tilluppnå kollisionshastigheter på 0,09 m / sek, placera partiklar 7 mm från varandra och ställa in tidsfördröjningen för utlösningsmekanismer till 9 ms.
        OBS: På den här stöthastighet, dammproverna studsar varandra efter kollisionen. Den bildsekvens fångas av en fritt fallande höghastighetskamera (se film 6).

      2. Höghastighets kollisioner (elektromagnetisk accelerator, 7,4 m / s): 2 cm vs 2 cm, fragmentering.
        Ladda ett prov på den dubbelving trap-dörröppningsmekanismen; Placera det andra provet på provhållaren av den linjära steg accelerator.
        OBS: För att uppnå kollisionshastigheter på 7,4 m / s, är den nedre damm samlade smidigt accelererade uppåt med 2 g, samtidigt som den övre damm aggregat faller. Vid en relativ hastighet av 7,4 m / sekund, den dammprover fragmentet (se Movie 7).

      3. Höghastighets kollision av små aggregat på stora aggregat: 0,5 cm vs 5 cm, massöverföring.
        Last the stora provet på en sax-typ utlösningsmekanismen; Placera den mindre prov på provhållaren av fjäder gaspedalen.
        OBS: För att uppnå kollisionshastigheter som krävs för massöverföring, är den nedre damm samlade smidigt accelererade uppåt, samtidigt som den övre damm aggregat faller. Vid denna relativa hastighet, de mindre prov fragment och överför en liten mängd massa laddats in i större prov. Eftersom kameran faller längs den övre (mer massiv) partikel, de bilder som tas med höghastighetskamera ger intryck av en stor partikel mer eller mindre i vila (se film 8), vilket inte är sant sett från utsidan av drop tornet.
    2. Stäng vakuum glasrör.
    3. Öppna försiktigt vakuumventilen till pumparna att starta långsam evakuering och ställa in timern parametrar till önskad tidsskillnaden för den önskade kollisionshastigheten.
    4. Fäst kameror för att deras release enheter (om fritt fallande kameror används).Starta kontinuerlig kamerainspelning och slå på belysningen.
    5. När den önskade vakuumkvaliteten uppnås, tryck på frigöringsknappen för att starta timersekvensen.
    6. Ladda ner bildsekvenser som registrerats av höghastighetskameror till en dator.

    5. Dataanalys

    1. Välj ett lämpligt tröskelvärde grå värde mellan bakgrund och objekt "grå värde. Skapa en binär bild som bygger på denna tröskel genom att sätta pixlar med gråa värden över tröskeln till vitt (binärt värde 1) och pixlar med lägre gråa värden till svart (binära värdet 0).
    2. Bestäm positionen för partiklarnas masscentrum i var och en av bilderna. En god approximation för att bestämma masscentrum för symmetriska partiklar är centrum för den projicerade ytan. Detta beräknas från binär bilder.
    3. Använd den relativa positionen för objektens centra för massa-och tidsinformationen från kamerabilderna för att beräknarelativ hastighet (se film 9). Sluttningarna av positionskurvan visas på den högra sidan av film 9.
      1. I händelse av en rebounding kollision, bestämma de relativa hastigheterna före och efter kontakt. Beräkna koefficienten restitution, dvs kvoten av hastigheten efter kollisionen och före. Plotta den relativa hastigheten mot koefficienten restitution. Ett exempel på denna analys visas i Figur 4.

    Figur 4
    Figur 4. Exempel på analys av studsande kollisioner. Koefficienten restitution, dvs förhållandet mellan studshastighet och islagshastigheten, ritas som en funktion av kollisionshastigheten. Cirklar visar uppgifter för sfäriska damm aggregat av 2 cm diameter 13 (se figur 2), trianglar betecknar kollisioner mellan cylindriska damm aggregat av 5 cm i diameter och 5 cm höjd (se figur 2) och två olika volymfyllningsfaktorerna 0,3 och 0,4, respektive 12. Uppgifterna visar en trend av minskande koefficient restitution med ökande stöthastighet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    1. Om en eller båda partiklar fragment, bestämma storleken på så många av de största fragmenten som möjligt genom att mäta sina respektive projicerade områden och antar lämpliga former.
      1. Om fragmentering av bara en partikel uppstår, överför det oftast en viss del av sin massa till efterlevande partikeln. Bestäm mängden överförda massan genom mätning av justeringen volym, under antagande av en lämplig form och porositet för att kvantifiera mass transfer effektivitet.

Representative Results

Med hjälp av väl karakteriserade damm samlade prover som beskrivs i protokollet (se figur 1-3), kommer varje kollision observerats i ett av laboratorie drop tornen ge vetenskapligt värdefull information om resultaten av liknande kollisioner i protoplanetary diskar. Vi har hittills systematiskt undersökt kollisions resultaten av 2 cm storlek sfäriska damm aggregat (med volymfyllningsfaktorer 0,5) inom hastighetsområdet mellan 0,008 och 2,02 m / sek 13 och 5 cm stora cylindriska dammaggregat (med volymfyllningsfaktorer mellan 0.3 och 0.5) inom hastighetsområdet mellan 0,004 och 2 m / sek 12. Vi fann att studsa mellan damm aggregat som det dominerande utfallet för hastigheter under ~ 0,4 m / sek för båda typerna av damm aggregat (se film 6 för ett exempel). I figur 4, är koefficienten för restitution av dessa studsande kollisioner visas. Cirklarna anger experimenten med tvåcm stora sfäriska prover 13 och trianglarna representerar resultaten från kollisioner mellan 5 cm stora damm cylindrar med två olika packningstäthet 12. Även om koefficienterna lämnande av enskilda experiment scatter kraftigt, det genomsnittliga värdet för koefficienten för restitution minskar med ökande kollisionshastighet.

Båda stoftaggregat fragment normalt vid nedslaget för hastigheter över ~ 1 m / sek (se film 7 för ett exempel). För hastigheter mellan ~ 0,4 och ~ 1 m / sekund, kan fragmentering av endast en av de två kolliderande dammaggregat uppträder. I detta fall vinner den icke-fragmentering damm samlade några få procent av massaöverföring 13. De ovan nämnda hastighetsgränser är inte skarpa men anger ungefär var gränserna mellan de olika systemen ligger 2,11. För kollisioner mellan stoftaggregat av olika storlek och måttliga hastigheter, kommer effekter i allmänhet inte leda t o splittringen av den större av de två damm aggregaten. På den motsatta, de större organen ökar sin massa genom överföring av en del av massan av de mindre impaktorer (se film 8).

I de fall, där de två damm aggregaten studsar bort varandra, överföring från translationell rörelseenergi före kollisionen (något emot att damm aggregaten inte roterar före kollisionen) i translationell rörelseenergi, rotationsrörelseenergi, och andra ( avledande) energikanaler (t.ex. kompakte av dammaggregat) kan bestämmas. Vi fann att för centrala kollisioner (där kan försummas rotationsenergi) den relativa mängden energi som avges ökar kraftigt med ökande hastighet och är högre för lägre volymfyllningsfaktorer dammet aggregat 12. Detta beteende kan modelleras genom molekylär-dynamiksimuleringar 12.

TTP :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 "target =" _blank "> Film 1. Höghastighets film (spelas upp i slow motion) av partikeln-on-a-sträng ( överst) och fallucka frigöringsmekanism (botten).

Movie 2 . Höghastighets film (spelas upp i slow motion) av dubbel lucka frigöringsmekanism. Båda proverna är klumpar av Al 2 O 3 partiklar med 2 mm diameter, som förblir begränsade under fritt fall på grund av den extremt låga störningar under release.

Movie 3 . Höghastighets film (spelas upp i slow motion) i sax-typ dubbel frigöringsmekanism.

Movie4. Höghastighets film (spelas upp i slow motion) i dubbel-wing lucka frigöringsmekanism.

Movie 5 . Animation av timer elektronik byter den övre och undre utlösningsmekanism samt på kamera till fritt fall.

Film 6 . Höghastighets film (spelas upp i slow motion) av en studsande kollision mellan två 5 cm stora damm-aggregat cylindrar. De två damm aggregat släpptes av sax-typ dubbel frigöringsmekanism och kolliderar med 0,09 m / s hastighet.

Film 7 . Höghastighets film (spelas upp i slow motion) av två 2 cm-stora cylindriska damm aggregat colliding med en relativ hastighet av 7,4 m / sek. Båda aggregaten fragmenterar helt.

Film 8 . Höghastighets film (spelas upp i slow motion) av en 5 mm stor damm aggregat påverkar en 5 cm-stora cylindriska fast mål. Eftersom anslagshastighet på 4,3 m / s är över fragmentering hastighet lilla damm aggregat, bryter detta isär och överför en del av sin massa till målet, vilket syns tydligt i filmen.

Film 9 . Fastställande av partikelbanorna genom en halvautomatisk partikel-tracking algoritm. Här är kollisionen mellan två 2 cm stora sfäriska damm aggregat visas.

Discussion

På grund av den höga mekaniska precision, är felfrekvensen för både dropptorn extremt låg. Detta är av yttersta vikt, eftersom provberedning kan ta upp till flera timmar, beroende på storlek, form och porositet av de önskade damm aggregaten. Det bör nämnas att stora damm aggregat med mycket höga porositeter är extremt bräckliga, och således svåra att hantera. Det kan hända att de här damm aggregat sönder vid utvinning av mögel eller överföring till drop tornet. I dessa fall har ett nytt prov för att vara förberedd. Således är det viktigt att den lilla droppe torn tillåter tillförlitliga (och förutsägbara) kollisionshastigheter ner till 0,01 m / sek 11,13. Den lägsta kollisionshastigheten hittills uppnåtts var 0,004 m / sek. Dessa små slaghastigheter kan endast nås för fria partiklar i en tyngdlöshet miljö. Laboratoriet droppe torn är en billig och mångsidig förverkligande av en sådan mikrogravitation anläggning.

Alternative metoder för att uppnå låga hastigheter konsekvens utnyttja levitation tekniker 14,15 (t.ex. genom elektromagnetiska eller aerodynamisk levitation) men i allmänhet framkallar en kraft mellan de kolliderande partiklar, som har att ta hänsyn till i analysen av kollisioner. Dessutom framkallar levitation ofta roterande rörelse 14, som, om oönskade, inte tillåter rotationsfria kollisioner, men, å andra sidan, kanske till och med låta realistiska simuleringar av kollisioner mellan roterande partiklar. Vid aerodynamiska levitation, kan svävare effekter under kollisionen framkalla oönskade villkor som inte matchar de i protoplanetary diskar. Dock tillåter levitation för obegränsad observationstid och repeterbara experiment så att det måste betraktas som ett alternativ till drop tornet om tidsbegränsningen är nödvändig. Alla våra ansträngningar hittills har koncentrerats på SiO 2 som representant för de silikater i mark-planetbildning region unga Solar Systems. Eftersom de flesta av massan av protoplanetary diskar är koncentrerad bortom kondenspunkten för vatten is, är det viktigt att också studera kollisionen beteende aggregat bestående av mikrometer stora H 2 O-is korn. Vi håller på att sätta upp ett kryo-vakuum släppa torn för detta ändamål. Det måste noteras att temperaturerna i sådana simuleringsexperiment måste ligga under ~ 150 K, vilket är temperaturen hos den så kallade "snö line" i protoplanetary skivor ("snön line" som skiljer de inre regionerna där vatten i ångan fasen från de yttre områdena där det finns som fast isglass). Vi har visat att bildningen av im stora vatten-ispartiklar är genomförbar och att aggregat därav kan produceras 16, så att vi är optimistiska att få de första resultaten på deras kollision beteende inom de närmaste 1-2 åren.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Blum, J., Wurm, G. The Growth Mechanisms of Macroscopic Bodies in Protoplanetary Disks. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 46, 21-56 (2008).
  2. Johansen, A., Blum, J., Tanaka, H., Ormel, C. W., Bizzarro, M., Rickman, H. The Multifaceted Planetesimal Formation Process. Protostars & Planets VI. University of Arizona Space Science Series. (2014).
  3. Blum, J., Zsom, A., Ormel, C. W., Dullemond, C. P. The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? I. Mapping the zoo of laboratory collision experiments. Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).
  4. Zsom, A., Ormel, C. W., Güttler, C., Blum, J., Dullemond, C. P. The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? II. Introducing the bouncing barrier. Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).
  5. Testi, L., et al. Dust Evolution in Protoplanetary Disks. Protostars & Planets VI. University of Arizona Space Science Series. (2014).
  6. Youdin, A. N., Goodman, J. Streaming Instabilities in Protoplanetary Disks. The Astrophysical Journal. 620, 459-469 (2005).
  7. Johansen, A., Youdin, A. N., Klahr, H. Particle Clumping and Planetesimal Formation Depend Strongly on Metallicity. The Astrophysical Journal Letters. 704, (2009).
  8. Bai, X. N., Stone, J. M. Dynamics of Solids in the Midplane of Protoplanetary Disks: Implications for Planetesimal Formation. The Astrophysical Journal. 722, 1437-1459 (2010).
  9. Windmark, F., Birnstiel, T., Güttler, C., Blum, J., Dullemond, C. P., Henning, T. h Planetesimal formation by sweep-up: How the bouncing barrier can be beneficial to growth. Astronomy and Astrophysics. 540, (2012).
  10. Windmark, F., Birnstiel, T., Ormel, C. W., Dullemond, C. P. Breaking through: The effects of a velocity distribution on barriers to dust growth. Astronomy and Astrophysics. 544 (2012).
  11. Garaud, P., Meru, F. From Dust to Planetesimals: An Improved Model for Collisional Growth in Protoplanetary Disks. The Astrophysical Journal. 764, 146 (2013).
  12. Schräpler, R., Blum, J., Seizinger, A., Kley, W. The physics of protoplanetesimal dust agglomerates. VII. The low-velocity collision behavior of large dust agglomerates. The Astrophysical Journal. 758, 35 (2012).
  13. Beitz, E., Güttler, C., Blum, J., Meisner, T., Teiser, J., Wurm, G. Low-velocity collisions of centimeter-sized dust aggregates. The Astrophysical Journal. 736, 34 (2011).
  14. Beitz, E., Blum, J., Mathieu, R., Pack, A., Hezel, D. C. Experimental investigation of the nebular formation of chondrule rims and the formation of chondrite parent bodies. Geochimica et Cosmochimica Acta. 116, 41-51 (2013).
  15. Jankowski, T., et al. Crossing barriers in planetesimal formation: The growth of mm-dust aggregates with large constituent grains. Astronomy and Astrophysics. 542, (2012).
  16. Gundlach, B., Kilias, S., Beitz, E., Blum, J. Micrometer-sized ice particles for planetary-science experiments - I. Preparation, critical rolling friction force, and specific surface energy. Icarus. 214, 717-723 (2011).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics