Laboratorium Drop Towers voor de Experimentele Simulatie van Dust-aggregaat Botsingen in de vroege zonnestelsel

Engineering
 

Summary

Wij presenteren een techniek voor lage snelheid bereiken intermediaire snelheid botsingen tussen fragiele stof aggregaten in het laboratorium. Daartoe zijn twee vacuümdaaltijd-toren opstellingen ontwikkeld waarmee botsing snelheden tussen <0,01 en ~ 10 m / sec. De botsing gebeurtenissen worden geregistreerd door high-speed imaging.

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

Voor het onderzoek naar de ontwikkeling van stof aggregaten begin Solar System, ontwikkelden we twee vacuümdaaltijd torens waarin breekbare stof aggregaten met afmetingen tot ~ 10 cm en porositeiten tot 70% kan worden botsing. Een van de torens daling wordt voornamelijk gebruikt voor zeer lage impact snelheden tot onder 0,01 m / sec en maakt gebruik van een dubbele ontgrendeling. Botsingen worden opgenomen in stereo-weergave door twee high-speed camera's, die langs de glazen vacuümbuis vallen in het centrum-van-massa frame van de twee stof aggregaten. De andere vrije val toren gebruikt een elektromagnetische versneller die in staat is licht versnellen stof aggregaten tot 5 m / sec. In combinatie met de introductie van een andere stof totale vrije val, botsing snelheden tot ~ 10 m / s worden bereikt. Hier, twee vaste high-speed camera's registreren de botsing gebeurtenissen. In beide druppel torens, de stof aggregaten in vrije val tijdens de botsing zodat ze gewichtloos en overeenkomen met deomstandigheden in het vroege zonnestelsel.

Introduction

Het is algemeen aanvaard dat planeetvorming begint met de niet-gravitationele accumulatie van microscopisch kleine stofdeeltjes in grotere stof aggregaten (zie recensie van Blum & Wurm) 1. De stofdeeltjes botsen binnen hun protoplanetaire schijven als gevolg van de Brownse beweging, relatieve afwijking moties en turbulentie van de nevel gas (zie recensie van Johansen et al..) 2. Als de botsing snelheden voldoende laag zijn, de stofdeeltjes aan elkaar plakken tot grotere agglomeraten. Een schat van laboratorium metingen over de afgelopen jaren hebben geleid tot een stof-aggregaat botsing model dat de uitkomst van een paar stof aggregaten met willekeurige massa en botsing snelheden 3 voorspelt. De basis botsingsstralingsmodellen resultaten steken (in het algemeen voor kleine totale massa en lage botsing snelheden), stuiteren, en fragmentatie (voor high impact snelheden). De overgangen tussen deze fasen niet scherp en er zijn andereuitkomsten, zoals, bijvoorbeeld massa-overdracht of erosie. Het toepassen van dit model naar een typische protoplanetaire schijf voorspelt de groei van de cm-sized stof aggregaten binnen een paar duizend jaar 4. De aanwezigheid van cm-en kleinbedrijf stof aggregaten is uitgebreid onderzocht door astronomische waarnemingen van de afgelopen jaren en kan nu worden beschouwd als vastgesteld (zie recensie van Testi et al..) 5, zodat we concluderen dat het beginsel mechanisme waardoor de eerste macroscopische lichamen bij jonge planetenstelsels formulier is geïdentificeerd.

De verdere groei organen van ten minste kilometer afmetingen is niet zo duidelijk. Voor de terrestrische planeet regio, zijn twee hypotheses momenteel besproken (zie ook de recente recensies over deze zaak door Johansen et al. 2 en Testi et al. 5..): (I) de concentratie van de cm-sized stof aggregaten door bijvoorbeeld de streaming instabiliteit 6 en latere Gravitationale instorting 7,8 en (ii) de groei van een paar "lucky winners" naar grotere maten met daaropvolgende massale aanwas door de massa-overdracht 9,10,11. In beide modellen, cm-sized stof aggregaten ondergaan een enorm aantal onderlinge botsingen bij lage tot matige snelheden. Het is onduidelijk wat de mogelijke uitkomsten van deze botsingen (naast stuiteren) zijn.

Om het stof-aggregaat botsingsmodel door Güttler et al.. 3 te verbeteren en om te onderzoeken in meer detail de botsingen tussen macroscopische stof aggregaten in de relevante snelheid regimes, zetten we twee druppel torens in ons laboratorium, waarin individuele aggregaat-aggregaat botsingen kunnen worden bestudeerd in detail onder vacuüm en microzwaartekracht. Beide druppel torens bezitten een vrije val hoogte van 1,5 m, die de observatie tijd om ~ 0.5 sec beperkt. Zo zien we de botsingen door high-speed camera's met een megapixel-indeling en tot 7500 frames per seconde.Voor maximaal contrast en hoge opnamesnelheden, is bright-field verlichting gekozen. Verlichting wordt aldus door hoge intensiteit LED-panelen en gehomogeniseerd door diffuser schermen. Zo is de high-speed camera's de botsende stof aggregaten als donkere objecten in de voorkant van een verlicht scherm. Om flikkeren te voorkomen, zijn de LED's DC gevoed.

Om vanaf botsing snelheden te bereiken worden de twee stof aggregaten boven elkaar geplaatst in een dubbele vergrendelingsmechanisme. Het loslaten van de bovenste aggregaat een tijd van t voordat de onderste resultaten in een relatieve snelheid van v = gt, met g = 9,81 m / sec 2 zijnde de valversnelling van de aarde. De twee high-speed camera's, die de botsing van twee kanten 90 ° uit elkaar bekijken, typisch vrij tussen de twee stof aggregaten (typisch t / 2 na de bovenste deeltje). De camera zal continue opnamestand, die wordt afgesloten door de impact van de camerahouders in zand emmers. De maximale framesnelheid in deze operationele modus is 1000 beelden per seconde bij megapixel resolutie. Met deze opstelling, snelheden tot onder 0,01 m / sec zijn bereikt. Vanwege beperkingen van de mechanische opstelling van een dubbele ontgrendeling, de maximale relatieve botssnelheid ~ 3 m / sec. Aanvaringen met stof aggregaten met tot 5 cm groot zijn onderzocht in deze daling toren. Voor hogere snelheden botsing tot ~ 10 m / s, een tweede druppel toren wordt gebruikt, die is uitgerust met een elektromagnetische versneller die in staat is om vlot te accelereren stof combineert maximaal 5 m / s in verticale opwaartse richting. De andere stof aggregaat wordt gehouden door een dubbel-vleugel valluik ontgrendeling en kan worden vrijgegeven rotatievrije in een vrije val op een gegeven moment. Hier, is het niet zinvol om een ​​vrije val camera's te gebruiken. We gebruiken in plaats van twee stationaire high-speed camera's met maximaal 7500 beelden per seconde en megapixel resolutie. Door de grotere Diameter of deze daling toren, stof aggregaten van (en mogelijk hoger) 10 cm groot kan worden.

Protocol

LET OP: Afhankelijk van de gevaarlijkheid van de gebruikte deeltjes, die kan worden gevonden in de betreffende veiligheidsinformatiebladen, moeten mond bescherming en veiligheid vistuig worden gedragen door de persoon die het werken met de stof. Het wordt ook aanbevolen om een ​​afzuigsysteem te gebruiken om de lucht stofvrij te houden.

1. Voorbereiding van de cm-sized Dust Aggregate Samples

  1. Bereken de hoeveelheid benodigde materialen door m = Φ ρ 0 V, waarbij m de vereiste massa Φ is het gewenste volume vulfactor (volume vulfactor = 1 - poreusheid), ρ 0 is de materiaaldichtheid, en V het volume van het monster. 77 g onregelmatige silicaat stof 0 = 2,6 g / cm 3) moet een monster porositeit van 70% (volume vulfactor = 0,3) respectievelijk kunnen om een cilindervormig monster van 5 cm diameter en hoogte.
    Opmerking: Vorming van terrestrische planetten begint met coagulatie van micrometer-grote stofdeeltjes - die voornamelijk uit silicaten - in cm-formaat poreuze lichamen. Een goed bestudeerd en geschikt laboratorium analoge materiaal SiO2, die beschikbaar zijn als onregelmatig gevormde poeder met een korrelgrootteverdeling van 0,5 tot 10 urn en in de vorm van monodisperse sferische korrels betere vergelijkbaarheid theoretische modellen (zie Tabel 1 en figuur 1).
SiO 2-monomeer graansoort Fabrikant Deeltjesdiameter Korrelvorm Voorbeeld figuur
Monodisperse Micromod 1.52 ± 0.06 &# 181; m Bolvormig Figuur 1 (links)
Polydisperse Sigma-Aldrich 0,1-10 urn Onregelmatig Figuur 1 (rechts)

Tabel 1. Kenmerken van de SiO 2 deeltjes die in het stof-aggregaat botsingsexperimenten.

Figuur 1
Figuur 1. Elektronen-microscopie beelden van de monodisperse (links) en polydisperse (rechts) SiO 2 deeltjes gebruikt voor de productie van macroscopische stof aggregaten. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Neem een container met micrometer-SiO 2 deeltjes (zie tabel 1) en giet de inhoud ervan op een zeef met een maaswijdte van 0,5 mm. Zeef voldoende materiaal en vul de berekende massa in de mal. Comprimeer het materiaal in de matrijs door de knop in een zuiger met de hand totdat het monster hoogte is bereikt (bijvoorbeeld 5 cm). Draai je om de schimmel op de zuiger, opent u de grondplaat en duw de steekproef uit.
Opmerking: De monsters kunnen in verschillende vormen (sferische en cilindrische), afmetingen (1 mm tot 10 cm) en porositeiten (60 tot 85%) (zie Figuur 3). Monsters kunnen dan afzonderlijk in de botsingsexperimenten of gecombineerd in clusters, die dan botsen met andere aggregaten of clusters.

Figuur 2
Figuur 2. Foto van. de variatie van stof-verzamelmonster maten en vormen De volgende monsters worden getoond: stof cilinders met 1 cm, 2 cm en 5 cm diameter (achterste rij), stof bollen met 1 cm en 2 cm diameter (midden rij), en 2-3 mm-sized Al 2 O 3 bollen (voorzijde). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

  1. Karakterisering van de monsters wat betreft porositeit en homogeniteit. Als monsters vallen buiten toegelaten marges, produceren nieuwe monsters.
    1. Om de porositeit van de stof monster te bepalen, bepaalt het volume door het meten van de afmetingen en de massa door middel van een nauwkeurige balans.
    2. Gebruik X-ray tomografie (XRT) 12 tot informatie over de homogeniteit en poriegrootte verdeling van de geproduceerde monster te krijgen.
      Opmerking: Voor de 5 cm-sized stof aggregaten, vonden we afwijkingen van het gemiddelde volume vullen factor, de verhouding tussen de massadichtheid van het monster en de materiaaldichtheid van het monomeer-stofdeeltjes, slechts ongeveer 1% in het grootste deel van het volume van de monsters en een iets grotere toename van het volume vulfactor met maximaal 8% naar de buitenste grenzen 12. Figuur 3 toont een XRT reconstructie van een dwarsdoorsnede van het cilindervormige stof totaal van 5 cm diameter en 5 cm hoogte. Wij XRT niet voor elke stof aggregaat maar onderzoekt de interne structuur en homogeniteit van steekproeven.

Figuur 3
Figuur 3. Reconstructie van de interne structuur van een cilindervormige stof samengevoegde monster van 5 cm lengte en 5 cm doorsnede na XRT analyse. De grijsschaal het volumeniveau vulfactor, die de verhouding van de massadichtheid van de thij proeven en het materiaal dichtheid van het monomeer-stofdeeltjes. Van de XRT reconstructie, is het duidelijk zichtbaar dat deze hoge porositeit monster werd geassembleerd met behulp mm-sized stof aggregaten. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

2. Principe van Drop Tower Setup

  1. Ontkoppelmechanismen:
    In het bovenste gedeelte van de druppel toren twee ontkoppelmechanismen zijn een boven de andere aangesloten. Elk van hen heeft een monster en brengt het in een vrije val. Het tijdsverschil tussen de release van de bovenste en de onderste deeltje bepaalt de relatieve snelheid van de botsing. Volgens de morfologie en de vorm van de deeltjes, passend ontkoppelmechanismen opstelling. Als een deeltjesversneller mechanisme wordt gebruikt, wordt slechts een vergrendelingsmechanisme vereist.
    1. Particle-on-a-snaar-release-mechanisme (sferische samples, upper deeltjes):
      Deze release mechanisme bestaat uit een lineaire solenoïde magneet en een stevig metalen teller stuk.
      1. Bevestig het deeltje worden vrijgegeven naar een string. Houd de string op zijn plaats door te klemmen tussen de magneet magneet en de solide metalen teller stuk.
      2. Om het deeltje los, een elektrische stroom van toepassing op de elektromagnetische magneet (zie Film 1).
    2. Trap-deuropener mechanisme (sferische samples, lager deeltje):
      Deze release mechanisme bestaat uit een roterende solenoïde magneet waaraan een deeltje houder is bevestigd.
      1. Plaats het deeltje in een semi-bolvormige vorm, die naar beneden wordt geroteerd door een roterende solenoïde wanneer een elektrische stroom wordt toegepast (zie Film 1).
      2. Dit mechanisme kan ook worden gebruikt voor de introductie van deeltje clusters of geaggregeerde bosjes. In dit laatste geval, zet twee trap-deuropener mechanismen boven elkaar (zie filmpje 2).
      3. Scissor-type double ontgrendeling (cilindrische monsters):
        Deze release mechanisme omvat twee paar roterende solenoïde magneten waaraan een metalen staaf is bevestigd. De solenoïde twee magneten van elk vrijgeefmechanisme zodanig dat de twee metalen stangen parallel geplaatst.
        1. Plaats de twee monsters op de twee evenwijdige staven elk.
        2. Pas een elektrische stroom naar de twee roterende spoelen om de deeltjes in het vrije val. (Zie filmpje 3).
      4. Dubbel-vleugel valluik ontgrendeling (cilindrische monsters, in combinatie met deeltjesversnelling mechanisme):
        Deze release mechanisme omvat twee veerbelaste metalen platen, die samen een V-vormige deeltje houder. De twee metalen platen worden op hun plaats gehouden door een metalen staaf, die een roterende solenoïde magneet is bevestigd.
        1. Plaats de cilindrische stof monster op de gesloten luik.
        2. Unlock het valluik door toepassingeen elektrische stroom naar de solenoïde magneet. Om bouncing-back van de deuren te voorkomen, wervelstroomremmen hen tegenhouden (zie Movie 4).
          Opmerking: Het is belangrijk om de deeltjes in het vrije val zonder initiële snelheid en rotatie. Voor dit doel een aantal mechanismen vrijlating ontwikkeld (2.1.1 - 2.1.4).
    3. Deeltjesversnelling mechanismen:
      Versnelt de deeltjes, hetzij door een voorgespannen veer of door een elektro-magnetisch aangedreven lineaire fase. Beide versnellers kan worden uitgerust met sample houders voor verschillend gevormde deeltjes.

    4. Besturingselektronica:
      Stel de timer en laat de elektronica op de juiste waarden om de gewenste botsing snelheid te bereiken en om de camera te bedienen in een centrum-van-massa-frame.
      Opmerking: De timing van het deeltje release, deeltjesversnelling en cameratoets wordt uitgevoerd door een reeks elektronische timers, waarvan de functionaliteit wordt uitgelegd in MOvie 5.

    3. Uitvoeren van experimenten

    1. Lage snelheid botsingen (kleine druppel toren):
      1. Monsters lading in de scissor-type double ontgrendeling en dicht vacuüm glazen buis.
      2. Start evacuatie en stel de timer parameters.
      3. Hechten camera's om hun magnetische openers. Start continue camera-opname.
        Opmerking: Door de hoge intensiteit van de LED-bright-field verlichting, kan een voldoende korte belichtingstijd van de high-speed camera worden gekozen, dat de beweging van de deeltjes tijdens de blootstelling verwaarloosbaar. Op de top van dat, moet de f-stop van de doelstelling camera worden ingesteld op waarden hoog genoeg om de diepte-of-focus over de gehele diameter van de druppel toren uit te breiden.
      4. Wanneer het gewenste vacuüm kwaliteit is bereikt, schakelt de verlichting, drukt u op de startknop en download de afbeelding sequenties.
    2. Hoge snelheid botsingen (grote druppel toren):
      1. Monsters belasting in de dubbele-wing val-deuropener mechanisme en het gaspedaal en sluit de vacuüm glazen buis.
      2. Start evacuatie en stel de timer parameters.
      3. Start continue camera-opname. Wanneer het gewenste vacuüm kwaliteit is bereikt, schakelt de verlichting en druk op de startknop. Download de afbeelding sequenties.
        Opmerking: Door de hoge intensiteit van de LED-bright-field verlichting, kan een voldoende korte belichtingstijd van de high-speed camera worden gekozen, dat de beweging van de deeltjes tijdens de blootstelling verwaarloosbaar. Op de top van dat, moet de f-stop van de doelstelling camera worden ingesteld op waarden hoog genoeg om de diepte-of-focus over de gehele diameter van de druppel toren uit te breiden.

    4. Voorbeeld Experimenten

    1. Plaats de monsters voorzichtig in de juiste ontgrendeling.
      1. Lage snelheid aanrijdingen (dubbele vergrendelingsmechanisme; 0,09 m / sec): 5 cm versus 5 cm, stuiteren.
        Plaats de monsters in twee schaarachtige ontkoppelmechanismen. Aanbereiken botsing snelheden van 0.09 m / sec, plaatst de deeltjes 7 mm uit elkaar en zet de vertraging van de mechanismen release 9 msec.
        Opmerking: Op dit botssnelheid, de stofmonsters stuiteren elkaar na de botsing. De sequentie van beelden wordt gevangen genomen door een vrije val high-speed camera (zie filmpje 6).

      2. High-speed botsingen (elektromagnetische versneller; 7,4 m / sec): 2 cm vs 2 cm, fragmentatie.
        Laad een monster op de dubbel-vleugel valluik ontgrendeling; plaats het andere monster op de monsterhouder van de lineaire-fase versneller.
        Opmerking: Om botsingen snelheden van 7,4 m / s te bereiken, wordt de onderste stof aggregaat vlot versneld omhoog met 2 g, terwijl tegelijkertijd de bovenste stof aggregaat valt. Bij een relatieve snelheid van 7,4 m / sec, de stofmonsters fragment (zie Film 7).

      3. High-speed botsing van kleine aggregaten op grote aggregaten: 0,5 cm versus 5 cm, massa-overdracht.
        Belasting the grote steekproef op een schaar type vergrendelingsmechanisme; plaats de kleinere steekproef op het monster houder van de veer gaspedaal.
        Opmerking: Om botsingen snelheden die nodig zijn voor massa-overdracht te realiseren, wordt de onderste stof aggregaat vlot versneld omhoog, terwijl tegelijkertijd de bovenste stof aggregaat valt. Op deze relatieve snelheid, het kleinere monster fragmenten en verbindt een kleine hoeveelheid massa op de grotere steekproef. Als de camera valt langs de bovenste (massiever) deeltje, de beelden die door de high-speed camera geven de indruk van een grote deeltjes min of meer in rust (zie Film 8), dat is niet waar, gezien vanaf de buitenkant van de drop toren.
    2. Sluit de vacuüm glazen buis.
    3. Open voorzichtig het vacuüm klep om de pompen te langzame evacuatie starten en stel de timer parameters om de gewenste tijd verschil voor de gewenste botsing snelheid.
    4. Hechten camera's om hun vrijlating eenheden (als vrij vallende camera's worden gebruikt).Start continue camera-opname en schakel verlichting.
    5. Wanneer het gewenste vacuüm kwaliteit is bereikt, drukt u op de knop om de timer functie te activeren.
    6. Download de afbeelding sequenties opgenomen door de high-speed camera's naar een computer.

    5. Data Analysis

    1. Koos voor een passende drempel grijswaarde tussen de achtergrond en grijze waarde van de objecten. Maak een binair beeld op basis van deze drempel door pixels met grijswaarden boven de drempel naar wit (binaire waarde 1) en pixels met lagere grijswaarden naar zwart (binaire waarde 0).
    2. Bepaal de positie van het midden van de deeltjes van de massa in elk van de beelden. Een goede benadering van het zwaartepunt voor symmetrische deeltjes bepalen is het centrum van het geprojecteerde gebied. Deze wordt berekend op basis van gebinariseerde afbeeldingen.
    3. Gebruik de relatieve positie van zwaartepunten objecten en de tijdinformatie van de camerabeelden berekenenrelatieve snelheid (zie Film 9). De hellingen van de positie curve worden weergegeven op de rechter-kant van Movie 9.
      1. Bij een aantrekkende botsing, bepalen de relatieve snelheden voor en na contact. Bereken de restitutiecoëfficiënt, dat wil zeggen de verhouding van de snelheid na de botsing en daarvoor. Teken de relatieve snelheid ten opzichte van de coëfficiënt van restitutie. Een voorbeeld van deze analyse wordt getoond in figuur 4.

    Figuur 4
    Figuur 4. Voorbeeld van de analyse van de stuiterende botsingen. Het restitutiecoëfficiënt, de verhouding tussen de rebound snelheid en de botssnelheid wordt uitgezet als functie van de botsingssnelheid. Cirkels tonen gegevens voor sferische stof aggregaten van 2 cm diameter 13 (zie figuur 2), driehoeken geven botsingen tussen cilindrische stof aggregaten van 5 cm diameter en 5 cm hoogte (zie figuur 2) en twee verschillende volume vulling factoren 0,3 en 0,4, respectievelijk 12. De gegevens tonen een trend van afnemende restitutiecoëfficiënt met toenemende botssnelheid. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

    1. Als een of beide deeltjes fragment, bepalen de maten zoals veel van de grootste fragmenten mogelijk door het meten van hun respectieve geprojecteerde gebieden en uitgaande van geschikte vormen.
      1. Als fragmentatie van slechts een deeltje optreedt, meestal brengt een bepaalde hoeveelheid massa aan de overlevende deeltje. Bepaal de hoeveelheid overgedragen massa door het meten van de opgelopen volume, uitgaande van een passende vorm en de porositeit van de massa-Transfe kwantificerenr efficiëntie.

Representative Results

Met behulp van de goed gekarakteriseerde stof-aggregaat monsters beschreven in het protocol (zie figuren 1-3), zal elke botsing waargenomen in een van de laboratoria druppel torens wetenschappelijk waardevolle informatie opleveren over de resultaten van soortgelijke botsingen in protoplanetaire schijven. We hebben tot nu toe systematisch onderzocht de botsing uitkomsten van 2 cm sized sferische stof aggregaten (met volumeregeling vullen factoren van 0,5) bij een snelheid tussen tussen 0,008 en 2,02 m / sec 13 en van 5 cm formaat cilindrische stof aggregaten (met volumeregeling vullen factoren tussen 0.3 en 0.5) bij een snelheid tussen tussen 0.004 en 2 m / sec 12. We vonden stuiteren tussen het stof aggregaten als de dominante resultaat voor snelheden onder ~ 0,4 m / sec voor beide soorten stof aggregaten (zie Film 6 voor een voorbeeld). In figuur 4 is de restitutiecoëfficiënt deze bouncing botsingen weergegeven. De cirkels geven de experimenten met 2cm sized sferische samples 13 en de driehoeken vertegenwoordigen resultaten van botsingen tussen 5 cm en kleinbedrijf stof cilinders met twee verschillende pakkingsdichtheden 12. Hoewel de coëfficiënten van teruggave van individuele experimenten verstrooien op grote schaal, de gemiddelde waarde van de coëfficiënt van restitutie af met toenemende aanvaringssnelheid.

Beide stof aggregaten meestal versplinteren bij een botsing voor snelheden boven ~ 1 m / sec (zie Film 7 voor een voorbeeld). Voor snelheden tussen 0,4 ~ en ~ 1 m / s, kan fragmentatie van slechts een van de twee botsende stof aggregaten ontstaan. In dit geval, de niet-fragmentatie stof aggregaat krijgt een paar procent van de massa door massaoverdracht 13. Bovengenoemde snelheid grenswaarden niet scherp, maar duiden ongeveer waar de grenzen tussen de verschillende regelingen 2,11 liggen. Voor botsingen tussen stof aggregaten van verschillende grootte en gematigde snelheden, zullen de gevolgen in het algemeen niet tot t o de versnippering van de grootste van de twee stof aggregaten. Aan de overzijde, de grotere lichamen verhogen hun massa door overdracht van een deel van de massa van de kleinere kloppers (zie Film 8).

Voor de gevallen waarin de twee stof aggregaten stuiteren elkaar, de overgang van het translationele kinetische energie voor de botsing (let dat de stof aggregaten niet draaien voor de botsing) in translatie kinetische energie, kinetische rotatie-energie, en andere ( dissipatieve) energiebanen (bijvoorbeeld verdichting van de stof aggregaten) kan worden bepaald. We vonden dat centrale botsingen (waarbij de rotatie-energie kan worden verwaarloosd) de relatieve hoeveelheid gedissipeerde energie sterk toeneemt met toenemende snelheid en hoger lagere volume vullen factoren van de stof aggregaten 12. Dit gedrag kan worden gemodelleerd door moleculaire dynamica simulaties 12.

TTP's :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 "target =" _blank "> Film 1. High-speed film (in slow motion gespeeld) van het deeltje-on-a-string ( boven) en val-deuropener mechanisme (onderaan).

Movie 2 . High-speed film (in slow motion gespeeld) van de dubbele trap-deur ontgrendeling. Beide monsters zijn massa's van Al 2 O 3 deeltjes van 2 mm diameter, die beperkt blijven tijdens de vrije val door de extreem lage verstoring tijdens de release.

Movie 3 . High-speed film (in slow motion gespeeld) van de schaar-type double ontgrendeling.

Film4. High-speed film (in slow motion gespeeld) van de dubbel-vleugel valdeur ontgrendeling.

Film 5 . animatie van de timer electronica inschakelen van de bovenste en onderste vrijgeefmechanisme en de camera lozing in vrije val.

Film 6 . High-speed film (in slow motion gespeeld) van een stuiterende botsing tussen twee 5 cm-grote stof-aggregaat cilinders. De twee stof aggregaten worden vrijgegeven door de schaar-type double ontgrendeling en botsen met 0,09 m / sec snelheid.

Film 7 . High-speed film (in slow motion gespeeld) van twee 2 cm-grote cilindrische stof aggregaten colliding bij een relatieve snelheid van 7,4 m / sec. Beide aggregaten fragmenteren volledig.

Film 8 . High-speed film (in slow motion gespeeld) van een 5 mm-sized stof aggregaat invloed een 5 cm-grote massief cilindervormig doel. Als de botsingssnelheid van 4,3 m / s boven de fragmentatie snelheid stofje totale Dit breekt en draagt ​​een gedeelte van de massa aan het doel, dat duidelijk zichtbaar in de film.

Film 9 . Bepaling van de trajecten door een semi-automatische particle tracking algoritme. Hier, wordt de botsing tussen twee 2 cm-sized bolvormige aggregaten stof weergegeven.

Discussion

Door de hoge mechanische precisie, de failure rate van beide druppel torens is extreem laag. Dit is van het grootste belang, omdat de monstervoorbereiding kan duren tot enkele uren, afhankelijk van de grootte, vorm en porositeit van de gewenste stof aggregaten. Opgemerkt moet worden dat grote aggregaten stof met zeer hoge porositeit zijn zeer kwetsbaar en dus moeilijk hanteerbaar. Het kan voorkomen dat deze stof aggregaten breken tijdens de extractie uit de mal of overdracht naar de drop toren. In dat geval zal een nieuw monster worden bereid. Het is dus belangrijk dat het druppeltje toren een nauwkeurige (en voorspelbare) botsing snelheden tot 0,01 m / sec 11,13. De laagste botssnelheid tot dusver bereikte was 0.004 m / sec. Deze kleine botsingssnelheden kan alleen worden bereikt voor vrije deeltjes in een microzwaartekrachtomgeving. Het laboratorium druppel toren is een goedkoop en veelzijdig realisatie van een dergelijke microgravity faciliteit.

Alternative werkwijzen te bereiken lage botsingssnelheid maken levitatie 14,15 technieken (bijv. door aërodynamische en elektromagnetische levitatie) maar algemeen leiden tot een kracht tussen de botsende deeltjes, die moet bij de analyse van de botsingen rekening worden gehouden. Bovendien levitatie induceert vaak rotatiebeweging 14, die, als ongewenst, niet mogelijk rotatievrije botsingen maar aan de andere kant kan zelfs mogelijk realistische simulaties van botsingen tussen roterende deeltjes. In het geval van aërodynamische levitatie, kan luchtkussen effecten tijdens de botsing ongewenste omstandigheden die niet overeenkomen met die in protoplanetaire schijven induceren. Echter, levitatie geen beperkingen observatietijd en herhaalbare experimenten, zodat het moet worden beschouwd als een alternatief voor de daling toren als de tijdslimiet is essentieel. Al onze inspanningen zijn tot dusver geconcentreerd op SiO 2 als een vertegenwoordiger van de silicaten in het aardse-planeetvorming region van jonge Solar Systems. Aangezien de meeste massa protoplanetaire schijven geconcentreerd voorbij het ​​condensatiepunt van waterijs, is het essentieel om tevens na botsingsgedrag aggregaten bestaande uit micrometer-sized H2O ijs korrels. We zijn momenteel het opzetten van een cryo-vacuümdaaltijd toren voor dit doel. Opgemerkt zij dat de temperaturen in deze simulaties hieronder moet ~ 150 K, de temperatuur van de zogenaamde "sneeuwgrens" in protoplanetaire schijven (de "sneeuwgrens" deelt de binnenliggende gebieden waar water in de damp fase van de buitenste regio's waar het is gevonden als vaste waterijs). We hebben aangetoond dat de vorming van micrometer-sized water ijsdeeltjes haalbaar is en dat aggregaten daarvan kunnen worden geproduceerd 16 zodat we optimistisch eerste resultaten op hun botsing gedrag binnen de volgende 1-2 jaar.

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