Labor-Tropfen-Towers für die Experimentelle Simulation von Staub-Aggregat-Kollisionen im frühen Sonnensystem
Summary
Wir präsentieren eine Technik, um mit geringer Geschwindigkeit bis mittlere Geschwindigkeit Kollisionen zwischen zerbrechlichen Staubaggregate im Labor zu erreichen. Zu diesem Zweck wurden zwei Vakuum-Drop-Tower-Setups entwickelt, die erlauben Kollisionsgeschwindigkeiten zwischen <0,01 und ~ 10 m / sec. Die Kollisionsereignisse werden durch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen aufgezeichnet.
Abstract
Für die Zwecke der Untersuchung der Evolution von Staub Aggregate im frühen Sonnensystem, entwickelten wir zwei Vakuumfalltürmen, in denen fragile Staub Aggregate mit Größen bis zu ~ 10 cm und Porositäten bis zu 70% können kollidierte werden. Einer der Türme Rückgang ist vor allem für sehr niedrigen Aufprallgeschwindigkeiten bis unter 0,01 m / sec eingesetzt und macht Gebrauch von einem Doppelauslösemechanismus. Kollisionen werden in Stereo-View durch zwei High-Speed-Kameras, die entlang der Glasvakuumröhre in der Mitte-der-Masse-Rahmen der beiden Aggregate Staub fallen aufgezeichnet. Die andere Freefall-Turm verwendet ein elektro Beschleuniger, der in der Lage ist sanft beschleunigt Staub Aggregate bis zu 5 m / sec ist. In Verbindung mit der Veröffentlichung von anderen Staub Aggregat freien Fall beschleunigt Kollision bis zu ~ 10 m / s erreicht werden kann. Hier zwei feste Hochgeschwindigkeitskameras erfassen die Kollisionsereignisse. In beiden Falltürmen, sind die Staub-Aggregate im freien Fall während der Kollision, so dass sie schwerelos und passen dieBedingungen im frühen Sonnensystem.
Introduction
Es ist allgemein anerkannt, dass die Planetenbildung beginnt mit dem nicht-Gravitations Anhäufung von mikroskopisch kleinen Staubkörner zu größeren Staubaggregate (siehe die Übersicht von Blum & Wurm) ein. Die Staubpartikel kollidieren innerhalb ihrer protoplanetaren Scheiben aufgrund der Brownschen Bewegung, relative Drift Bewegungen und Turbulenzen der Nebelgas (siehe die Übersicht von Johansen et al.) 2. Wenn die Kollisionsgeschwindigkeiten ausreichend niedrig sind, bleiben die Staubpartikel zu größeren Agglomerate bilden. Eine Fülle von Labormessungen der letzten Jahre haben zu einer Staub-Aggregat-Kollisionsmodell, die das Ergebnis eines Paares von Staub Aggregate mit beliebigen Massen und Kollisionsgeschwindigkeiten prognostiziert 3 geführt. Die grundlegenden Ergebnisse sind Kollisions kleben (in der Regel für kleine Aggregat Massen und geringe Kollisionsgeschwindigkeiten), Prellen und Fragmentierung (für hohe Aufprallgeschwindigkeiten). Die Übergänge zwischen diesen Phasen jedoch nicht scharf und es gibt andereErgebnisse, wie, z. B. Massentransfer oder Erosion. Die Anwendung dieses Modells zu einem typischen protoplanetaren Scheibe prognostiziert das Wachstum cm große Staubaggregate innerhalb von ein paar tausend Jahre 4. Die Anwesenheit cm große Staubaggregate wurde ausgiebig durch astronomische Beobachtungen in den letzten Jahren untersucht und können nun betrachtet werden, wie festgelegt (siehe die Übersicht von Testi et al.) 5, so dass wir schließen, dass das Prinzip Mechanismus, mit dem die ersten makroskopischer Körper bei jungen Planetensystemen Form identifiziert wurde.
Allerdings ist das weitere Wachstum zu Leichen von mindestens km Größen nicht so klar. Für den terrestrischen Planeten-Region werden zwei Hypothesen derzeit diskutiert (siehe auch die jüngsten Bewertungen zu dieser Frage von Johansen et al 2 und 5 Testi et al.).: (I) Konzentration der cm-große Staub Aggregate, wie zB die Streaming Instabilität 6 und anschließende Gravitationale Zusammenbruch 7,8 und (ii) das Wachstum von ein paar "Gewinner" zu größeren Größen mit anschließender Masse-Zuwachs durch den Massentransfer-Verfahren 9,10,11. In beiden Modellen cm große Staubaggregate unterziehen eine enorme Anzahl von gegenseitigen Kollisionen bei niedrigen bis moderaten Geschwindigkeiten. Es ist unklar, was die möglichen Ergebnisse dieser Kollisionen (neben Prellen) sind.
Um die Staub-Aggregat-Kollisionsmodell von Güttler et al. 3 zu verbessern und näher die Kollisionen zwischen makroskopischen Staub Aggregate in den relevanten Geschwindigkeitsregelungen zu untersuchen, haben wir zwei Falltürmen in unserem Labor, in dem einzelne Aggregat-Aggregat-Kollisionen können im Detail unter Vakuum und Schwerelosigkeit untersucht werden. Beide Falltürmen besitzen eine Freifallhöhe von 1,5 m, die die Beobachtungszeit auf ~ 0,5 s begrenzt. So beobachten wir die Kollisionen von Hochgeschwindigkeitskameras mit Megapixel-Format und bis zu 7.500 Bildern pro Sekunde.Für maximalen Kontrast und eine hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeiten, ist Hellfeldbeleuchtung gewählt. Beleuchtung wird somit von hoher Intensität LED-Panels zur Verfügung gestellt und durch Streuscheiben homogenisiert. So sehen die High-Speed-Kameras die kollidierenden Staubaggregate als dunkle Objekte vor einem beleuchteten Bildschirm. Um Flimmern zu vermeiden, sind die LEDs DC versorgt.
Um eine geringe Kollisionsgeschwindigkeiten erreichen, werden die zwei Staubaggregate übereinander in einem Doppelauslösemechanismus gelegt. Loslassen der oberen Aggregat eine Zeit t vor den unteren zu einer relativen Geschwindigkeit von v = gt, mit g = 9,81 m / s 2 die Erdbeschleunigung der Erde. Die beiden High-Speed-Kameras, die die Kollision von zwei Richtungen um 90 ° versetzt zu sehen, sind in der Regel zwischen den beiden Aggregaten Staub freigesetzt (typischerweise t / 2, nachdem der obere Teilchen). Die Kameras in kontinuierlichen Aufzeichnungsmodus, der durch die Wirkung der Kamera beendet ausgeführtHalter in Sand Eimer. Die maximale Bildrate in diesem Betriebsmodus beträgt 1.000 Bilder pro Sekunde bei Megapixel-Auflösung. Mit diesem Setup Geschwindigkeiten bis unter 0,01 m / s erreicht wurden. Wegen der Beschränkungen des mechanischen Aufbaus der Doppelauslösemechanismus ist die maximale relative Aufprallgeschwindigkeit ca. 3 m / sec. Kollisionen mit Staub-Aggregate mit bis zu 5 cm groß sind in diesem Fallturm untersucht. Bei höheren Kollisionsgeschwindigkeiten bis zu ~ 10 m / sec, einem zweiten Fallturm verwendet, der mit einem elektromagnetischen Beschleuniger, der in der Lage ist, sanft zu beschleunigen Staubkorn bis zu 5 m / sec in einer vertikalen Aufwärtsrichtung versehen ist. Die andere Staub Aggregat wird durch eine Doppelflügelfalltürfreigabemechanismus gehalten und kann rotationsfrei in den freien Fall zu einem bestimmten Zeitpunkt veröffentlicht werden. Hier ist es nicht sinnvoll, frei fallende Kameras verwenden. Wir verwenden statt zwei stationären High-Speed-Kameras mit bis zu 7.500 Bildern pro Sekunde und Megapixel-Auflösung. Aufgrund der größeren diameter dieser Fallturm, aggregiert Staub bis zu (und möglicherweise oben) in der Größe 10 cm verwendet werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aufgrund der hohen mechanischen Präzision, ist die Ausfallrate der beiden Falltürmen extrem niedrig. Dies ist von größter Bedeutung, denn die Probenvorbereitung kann bis zu mehreren Stunden dauern, je nach Größe, Form und Porosität der gewünschten Staub-Aggregate. Es sollte erwähnt werden, daß große Staub Aggregate mit sehr hoher Porosität sind äußerst empfindlich, und somit schwierig zu handhaben. Es kann vorkommen, dass diese Staubaggregate bei der Extraktion aus der Form oder Transfer zum Fallturm brechen. In diesen Fällen muss eine neue Probe hergestellt werden. Somit ist es wichtig, dass die kleinen Tropfen Turm ermöglicht eine zuverlässige (und vorhersehbaren) Kollisionsgeschwindigkeiten bis zu 0,01 m / s 11,13. Die niedrigste Aufprallgeschwindigkeit bisher erreicht war 0,004 m / sec. Diese kleinen Aufprallgeschwindigkeiten kann nur für freie Teilchen im Mikrogravitation erreicht werden. Das Labor Fallturm ist eine preiswerte und vielseitige Realisierung einer solchen Anlage Schwerelosigkeit.
Alternative Methoden zu erreichen niedrigen Aufprallgeschwindigkeiten nutzen Schwebetechniken 14,15 (zB durch elektromagnetische oder aerodynamische Levitation), aber in der Regel induzieren eine Kraft zwischen den kollidierenden Teilchen, die in der Analyse der Kollisionen berücksichtigt werden muss. Darüber hinaus Schwebe oft induziert Drehbewegung 14, die, wenn sie unerwünscht, nicht rotationsfreie Kollisionen ermöglichen, aber auf der anderen Seite könnte sogar erlauben realistische Simulation von Kollisionen zwischen rotierenden Teilchen. Bei der aerodynamischen Levitation, können Luftkissen Effekte während der Kollision unerwünschten Bedingungen, die nicht mit denen in protoplanetaren Scheiben zu induzieren. Allerdings ermöglicht Schwebe für unbegrenzte Beobachtungszeit und wiederholbare Experimente, so dass es als eine Alternative zu den Fallturm wird, wenn die Zeitbegrenzung notwendig. Alle unsere Bemühungen haben bisher auf SiO 2 als Vertreter der Silikate in der terrestrischen Planeten r Bildung konzentriertegion der jungen Solar Systems. Da die meisten der Masse des protoScheiben über den Kondensationspunkt von Wassereis konzentriert, ist es notwendig, auch das Kollisionsverhalten von Aggregaten, bestehend aus mikrometergroßen H 2 O-Eiskörner studieren. Wir sind derzeit ein Kryo-Vakuum-Fallturm für diesen Zweck. Es ist zu beachten, dass die Temperaturen in solchen Simulationsexperimenten muss unterhalb ~ 150 K, die die Temperatur des sogenannten "Schnee line" in protoPlatten (die "snow line" teilt den inneren Bereichen, in denen Wasser in der Dampf sein Phase aus den äußeren Regionen, wo es als Wasser festes Eis gefunden). Wir haben gezeigt, dass die Bildung von mikrometergroßen Wasser-Eis-Teilchen möglich ist, und dass Aggregate davon 16 hergestellt werden, so dass wir optimistisch sind, um erste Ergebnisse auf ihre Kollisionsverhalten in den nächsten 1-2 Jahren.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank the Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), and the TU Braunschweig for continual support of our laboratory activities. The low-velocity drop tower has been established under DLR grant 50WM0936, the high-velocity drop tower has been developed under DFG grant INST 186/959-1 as part of the CRC 963 “Astrophysical Flow Instabilities and Turbulence”.
Materials
| 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 |
References
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