The authors thank the Deutsches Zentrum f&#252;r 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 &#8220;Astrophysical Flow Instabilities and Turbulence&#8221;.

<ol>
	<li>Blum, J., Wurm, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Growth+Mechanisms+of+Macroscopic+Bodies+in+Protoplanetary+Disks.">The Growth Mechanisms of Macroscopic Bodies in Protoplanetary Disks.</a> Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 46, 21-56 (2008).</li><li>Johansen, A., Blum, J., Tanaka, H., Ormel, C. W., Bizzarro, M., Rickman, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Multifaceted+Planetesimal+Formation+Process.">The Multifaceted Planetesimal Formation Process.</a> Protostars &amp; Planets VI. University of Arizona Space Science Series. , (2014).</li><li>Blum, J., Zsom, A., Ormel, C. W., Dullemond, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+outcome+of+protoplanetary+dust+growth:+pebbles,+boulders,+or+planetesimals?+I.+Mapping+the+zoo+of+laboratory+collision+experiments.">The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? I. Mapping the zoo of laboratory collision experiments.</a> Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).</li><li>Zsom, A., Ormel, C. W., G&#252;ttler, C., Blum, J., Dullemond, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+outcome+of+protoplanetary+dust+growth:+pebbles,+boulders,+or+planetesimals?+II.+Introducing+the+bouncing+barrier.">The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? II. Introducing the bouncing barrier.</a> Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).</li><li>Testi, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dust+Evolution+in+Protoplanetary+Disks.">Dust Evolution in Protoplanetary Disks.</a> Protostars &amp; Planets VI. University of Arizona Space Science Series. , (2014).</li><li>Youdin, A. N., Goodman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Streaming+Instabilities+in+Protoplanetary+Disks.">Streaming Instabilities in Protoplanetary Disks.</a> The Astrophysical Journal. 620, 459-469 (2005).</li><li>Johansen, A., Youdin, A. N., Klahr, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+Clumping+and+Planetesimal+Formation+Depend+Strongly+on+Metallicity.">Particle Clumping and Planetesimal Formation Depend Strongly on Metallicity.</a> The Astrophysical Journal Letters. 704, (2009).</li><li>Bai, X. N., Stone, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+of+Solids+in+the+Midplane+of+Protoplanetary+Disks:+Implications+for+Planetesimal+Formation.">Dynamics of Solids in the Midplane of Protoplanetary Disks: Implications for Planetesimal Formation.</a> The Astrophysical Journal. 722, 1437-1459 (2010).</li><li>Windmark, F., Birnstiel, T., G&#252;ttler, C., Blum, J., Dullemond, C. P., Henning, T. h. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Planetesimal+formation+by+sweep-up:+How+the+bouncing+barrier+can+be+beneficial+to+growth.">Planetesimal formation by sweep-up: How the bouncing barrier can be beneficial to growth.</a> Astronomy and Astrophysics. 540, (2012).</li><li>Windmark, F., Birnstiel, T., Ormel, C. W., Dullemond, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Breaking+through:+The+effects+of+a+velocity+distribution+on+barriers+to+dust+growth.">Breaking through: The effects of a velocity distribution on barriers to dust growth.</a> Astronomy and Astrophysics. , 544 (2012).</li><li>Garaud, P., Meru, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+Dust+to+Planetesimals:+An+Improved+Model+for+Collisional+Growth+in+Protoplanetary+Disks.">From Dust to Planetesimals: An Improved Model for Collisional Growth in Protoplanetary Disks.</a> The Astrophysical Journal. 764, 146 (2013).</li><li>Schr&#228;pler, R., Blum, J., Seizinger, A., Kley, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+physics+of+protoplanetesimal+dust+agglomerates.+VII.+The+low-velocity+collision+behavior+of+large+dust+agglomerates.">The physics of protoplanetesimal dust agglomerates. VII. The low-velocity collision behavior of large dust agglomerates.</a> The Astrophysical Journal. 758, 35 (2012).</li><li>Beitz, E., G&#252;ttler, C., Blum, J., Meisner, T., Teiser, J., Wurm, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-velocity+collisions+of+centimeter-sized+dust+aggregates.">Low-velocity collisions of centimeter-sized dust aggregates.</a> The Astrophysical Journal. 736, 34 (2011).</li><li>Beitz, E., Blum, J., Mathieu, R., Pack, A., Hezel, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+investigation+of+the+nebular+formation+of+chondrule+rims+and+the+formation+of+chondrite+parent+bodies.">Experimental investigation of the nebular formation of chondrule rims and the formation of chondrite parent bodies.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 116, 41-51 (2013).</li><li>Jankowski, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crossing+barriers+in+planetesimal+formation:+The+growth+of+mm-dust+aggregates+with+large+constituent+grains.">Crossing barriers in planetesimal formation: The growth of mm-dust aggregates with large constituent grains.</a> Astronomy and Astrophysics. 542, (2012).</li><li>Gundlach, B., Kilias, S., Beitz, E., Blum, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micrometer-sized+ice+particles+for+planetary-science+experiments+-+I.+Preparation,+critical+rolling+friction+force,+and+specific+surface+energy.">Micrometer-sized ice particles for planetary-science experiments - I. Preparation, critical rolling friction force, and specific surface energy.</a> Icarus. 214, 717-723 (2011).</li></ol>

We have nothing to disclose.

نظرا لدقة ميكانيكية عالية، ومعدل فشل كلا البرجين انخفاض منخفضة للغاية. هذا أمر في غاية الأهمية، وذلك لأن إعداد العينات قد يستغرق فترة تصل إلى عدة ساعات، وهذا يتوقف على حجم وشكل ومسامية المجاميع الغبار المطلوب. وتجدر الإشارة إلى أن مجاميع كبيرة مع الغبار مسامية عالية جدا هشة للغاية، وبالتالي، من الصعب التعامل معها. أنه قد يحدث أن هذه المجاميع الغبار كسر أثناء استخراج قبالة العفن أو نقلها إلى برج الانخفاض. في هذه الحالات، عينة جديدة يجب أن تكون مستعدة. وبالتالي، فمن المهم أن البرج قطرة صغيرة يسمح موثوق بها (ويمكن التنبؤ بها) سرعات التصادم وصولا الى 0.01 متر / ثانية 11،13. كان أقل سرعة تأثير تحققت حتى الآن 0.004 متر / ثانية. لا يمكن إلا أن يتم التوصل إلى هذه السرعات أثر صغير للجزيئات الحرة في بيئة الجاذبية الصغرى. برج الانخفاض المختبر هو تحقيق رخيصة ومتنوعة من مثل هذا المرفق الجاذبية الصغرى. Alternatiلقد طرق لتحقيق سرعات تأثير المنخفض الاستفادة من التقنيات الارتفاع 14،15 (مثلا عن طريق القطار الكهرومغناطيسي أو الهوائية) ولكن عموما لحث قوة بين الجسيمات المتصادمة، والذي يجب أن يؤخذ بعين الاعتبار في التحليل من الاصطدامات. علاوة على ذلك، غالبا ما يدفع الارتفاع الحركة الدورانية 14، والذي، إذا غير المرغوب فيها، لا يسمح الاصطدامات خالية من التناوب، ولكن من ناحية أخرى، قد تسمح حتى محاكاة واقعية لاصطدام بين جزيئات الدورية. في حالة الارتفاع الهوائية، والآثار ذات الوسائد الهوائية أثناء الاصطدام ربما تتسبب في الظروف غير المرغوب فيها التي لا تتطابق مع تلك الموجودة أقراص الكواكب الأولية. ومع ذلك، يسمح الارتفاع لفترة غير محدودة الملاحظة والتجارب للتكرار بحيث لابد من النظر بديل للبرج الانخفاض إذا كان ضيق الوقت أمر ضروري. وقد تركزت كل جهودنا حتى الآن على شافي 2 كممثل للسيليكات في تشكيل الأرضية الكوكب صegion من أنظمة الطاقة الشمسية الشباب. كما يتركز معظم كتلة أقراص الكواكب الأولية أبعد نقطة التكثيف من جليد الماء، فمن الضروري أيضا لدراسة سلوك اصطدام المجاميع تتكون من H 2 O الحبوب الجليد ميكرون الحجم. نحن حاليا بإنشاء برج انخفاض البرد فراغ لهذا الغرض. وتجدر الإشارة إلى أن درجات الحرارة في مثل هذه التجارب يجب أن تكون تحت محاكاة ~ 150 K، التي هي درجة الحرارة من ما يسمى ب &quot;خط الثلج&quot; في أقراص الكواكب الأولية (&quot;الخط الثلوج&quot; يقسم المناطق الداخلية حيث الماء في بخار مرحلة من المناطق الخارجية حيث تم العثور على أنها جليد الماء الصلبة). لقد أظهرنا أن تشكيل جزيئات الماء الجليد ميكرون الحجم أمر ممكن وأن المجاميع منها يمكن أن تنتج 16 بحيث نحن متفائلون أن يكون أولا على السلوك باصطدامها في غضون السنوات 1-2 القادمة.

ومن المسلم به عموما أن تشكيل الكوكب يبدأ مع تراكم غير الجاذبية من حبيبات الغبار الصغيرة مجهريا في المجاميع الغبار الكبيرة (انظر مراجعة من قبل بلوم وورم) 1. وتتصادم جزيئات الغبار داخل الأقراص الخاصة بهم الكواكب الأولية بسبب الحركة البراونية، الاقتراحات الانجراف النسبية، والاضطراب من الغاز السديمية (انظر مراجعة من قبل يوهانسن وآخرون.) 2. إذا سرعات التصادم منخفضة بما فيه الكفاية، وجزيئات الغبار تلتصق ببعضها البعض لتشكيل تكتلات أكبر. وقد أدت ثروة من القياسات المخبرية على مدى السنوات الماضية إلى نموذج الاصطدام الغبار التجميعية التي يتوقع نتائج من زوج من الركام والغبار مع الجماهير التعسفي وسرعات تصادم 3. نتائج الاصطدامية الأساسية متمسكون (بشكل عام لجماهير الكلي الصغيرة والسرعات المنخفضة الاصطدام)، كذاب، وتجزئة (لسرعات عالية التأثير). ومع ذلك، فإن الانتقال بين هذه المراحل ليست حادة وهناك غيرهاالنتائج، مثل، على سبيل المثال نقل الجماعي أو تآكل. تطبيق هذا النموذج على قرص الكواكب الأولية النموذجية تتوقع نمو المجاميع الغبار سم الحجم في غضون بضعة آلاف سنة 4. وقد تم التحقيق وجود سم الحجم المجاميع الغبار على نطاق واسع من قبل الأرصاد الفلكية على مدى السنوات الماضية ويمكن الآن أن تعتبر المنشأة (انظر مراجعة من قبل تيستي وآخرون.) 5 بحيث نستنتج أن آلية المبدأ الذي الهيئات العيانية الأولى في الأنظمة الكوكبية الشباب تم التعرف النموذج. ومع ذلك، فإن النمو إلى مزيد من جثث أحجام كيلومتر على الأقل ليست واضحة جدا. للمنطقة الأرضية الكوكب، وتناقش فرضيتين حاليا (انظر أيضا أحدث التعليقات على هذا الموضوع عن طريق يوهانسن وآخرون (2) وتيستي وآخرون 5.): (ط) تركيز الركام والغبار سم الحجم من قبل، على سبيل المثال بث عدم الاستقرار والجاذبية 6 اللاحقةانهيار الاقلية البرلمانية 7،8 و (ب) نمو عدد قليل من &quot;الفائزين&quot; إلى أحجام أكبر مع تراكم الشامل لاحقة من عملية نقل الجماعي 9،10،11. في كلا النموذجين، سم، الحجم المجاميع الغبار الخضوع لعدد هائل من الاصطدامات المتبادلة على الأقل إلى السرعات المعتدلة. ومن غير الواضح ما النتائج المحتملة لهذه التصادمات (إلى جانب كذاب) هي. لتحسين نموذج الاصطدام الغبار الكلي من قبل Güttler وآخرون. 3 والتحقيق في مزيد من التفاصيل في اصطدام بين المجاميع الغبار العيانية في الأنظمة ذات الصلة سرعة، أنشأنا برجين انخفاض في مختبرنا، الذي الفردية الاصطدامات الكلي-الكلي يمكن أن تدرس بتفصيل كبير تحت فراغ والجاذبية الصغرى الظروف. كلا البرجين انخفاض تمتلك ارتفاع السقوط الحر من 1.5 متر، مما يحد من الوقت لمراقبة ~ 0.5 ثانية. وهكذا، نلاحظ الاصطدامات بواسطة كاميرات عالية السرعة مع شكل ميجابيكسل وتصل إلى 7،500 لقطة في الثانية.لأقصى قدر من التباين وسرعة تسجيل عالية، يتم اختيار الإضاءة مشرق الميدان. وبالتالي تم توفير الإضاءة عالية الكثافة من قبل فريقي LED وشاشات المتجانس من قبل الناشر. وبالتالي، عرض كاميرات عالية السرعة الغبار اصطدامه المجاميع كائنات الظلام أمام شاشة مضيئة. لتجنب الخفقان، والمصابيح هي العاصمة بالطاقة. لتحقيق السرعات المنخفضة الاصطدام، يتم وضع اثنين من المجاميع الغبار فوق بعضها البعض في آلية إطلاق مزدوجة. الإفراج عن مجموعها العلوي وقت ر قبل أقل واحد النتائج في السرعة النسبية للت = GT، مع ز = 9.81 متر / ثانية 2 كونها تسارع الجاذبية للأرض. واثنين من الكاميرات عالية السرعة، والتي عرض الاصطدام من اتجاهين 90 ° بصرف النظر، وعادة ما تكون بين اثنين من صدر في المجاميع الغبار (عادة ر / 2 بعد الجسيمات العليا). كاميرات تشغيل في الوضع المستمر تسجيل، والتي تم إنهاء بسبب تأثير الكاميراأصحاب الدلاء في الرمال. معدل الإطار الأقصى في هذا الوضع التشغيلي 1،000 صورة في الثانية الواحدة في قرار ميغابيكسل. مع هذا الإعداد، وسرعات أسفل إلى ما دون 0.01 تحققت م / ثانية. بسبب القيود المفروضة على الإعداد الميكانيكية لآلية الإفراج مزدوجة، والحد الأقصى النسبي سرعة الاصطدام هو ~ 3 م / ثانية. وقد تم التحقيق الاصطدامات التي تنطوي على المجاميع الغبار مع ما يصل الى 5 سم في الحجم في هذا البرج الهبوط. لسرعات تصل إلى أعلى الاصطدام ~ 10 م / ثانية، ويستخدم برج الانخفاض الثاني، وهي مجهزة مسرع الكهرومغناطيسية التي هي قادرة على تسريع بسلاسة الغبار المجاميع تصل إلى 5 م / ثانية في اتجاه صاعد العمودي. يقام مجموعها الغبار الآخرين من خلال فخ الباب آلية إطلاق مزدوجة الجناحين، ويمكن أن يتم الافراج خالية من التناوب في سقوط حر في أي وقت من الأوقات. هنا، فإنه لا معنى لاستخدام الكاميرات خالية من السقوط. نحن استخدام اثنين بدلا ثابتة كاميرات عالية السرعة مع ما يصل إلى 7،500 لقطة في الثانية وميجابيكسل القرار. ويرجع ذلك إلى diamet أكبرإيه من هذا البرج قطرة والغبار المجاميع تصل إلى (وربما أعلاه) 10 سم في حجم يمكن استخدامها.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="573">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Monodisperse SiO2 particles</td>
			<td style="width:71px;">Micromod</td>
			<td style="width:119px;">43-00-153</td>
			<td style="width:167px;">Particle diameter 1.52 &#177; 0.06 &#181;m; particle shape spherical</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Polydisperse SiO2 particles</td>
			<td style="width:71px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">S5631</td>
			<td>Particle diameter 0.1 &#8211; 10 &#181;m; particle shape irregular</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;"></td>
			<td style="width:71px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

laboratory drop towers for the experimental simulation of dust-aggregate collisions in the early solar system

لغرض التحقيق في تطور المجاميع الغبار في النظام الشمسي المبكر، قمنا بتطوير برجين انخفاض الفراغ الذي المجاميع الغبار الهشة مع أحجام تصل إلى ~ 10 سم ومسامية تصل إلى 70٪ ويمكن اصطدمت. أحد الأبراج انخفاض يستخدم في المقام الأول لسرعات تأثير منخفض جدا أسفل إلى ما دون 0.01 متر / ثانية ويجعل من استخدام آلية إطلاق مزدوجة. وتسجل في اصطدام ستيريو عرض من قبل اثنين من كاميرات عالية السرعة، والتي تقع على طول أنبوب زجاجي فراغ في الإطار الوسط من الكتلة اثنين من المجاميع الغبار. برج السقوط الحر غيرها يجعل من استخدام مسرع الكهرومغناطيسية التي هي قادرة على تسريع بلطف المجاميع الغبار ليصل إلى 5 أمتار / ثانية. في تركيبة مع الافراج عن الغبار الكلي أخرى لسقوط حر، والتصادم بسرعة تصل إلى ~ يمكن تحقيق 10 م / ثانية. هنا، وهما ثابت كاميرات عالية السرعة تسجيل الأحداث الاصطدام. في كلا البرجين وهبوط، والمجاميع الغبار في السقوط الحر خلال الاصطدام بحيث تكون مطابقة انعدام الوزن والظروف في النظام الشمسي المبكر.

باستخدام عينات من الغبار الكلي تتميز جيدا موضح في البروتوكول (أنظر الشكلين 1-3)، فإن أي اصطدام لوحظ في أحد الأبراج قطرة المختبر تعطي معلومات قيمة علميا على نتائج مماثلة في اصطدام الكواكب الأولية الأقراص. لقد حققت حتى الآن بشكل منهجي نتائج اصطدام 2 سم الحجم المجاميع الغبار كروية (مع حجم ملء عوامل 0.5) في نطاق السرعة بين 0.008 و 2.02 متر / ثانية 13 و 5 سم الحجم المجاميع الغبار أسطواني (مع حجم ملء العوامل بين 0.3 و 0.5) في نطاق السرعة بين 0.004 و 2 متر / ثانية 12. وجدنا كذاب بين المجاميع الغبار كنتيجة لهيمنة السرعات أدناه ~ 0.4 م / ثانية لكلا النوعين من المجاميع الغبار (انظر فيلم 6 للحصول على مثال). في الشكل 4، يظهر معامل إعادة هذه الاصطدامات كذاب. الدوائر تدل التجارب مع 2سم عينات كروية الحجم 13 ومثلثات تمثل النتائج من الاصطدامات بين 5 سم اسطوانات الغبار الحجم مع اثنين من التعبئة والتغليف المختلفة الكثافة 12. على الرغم من أن معاملات إعادة التجارب الفردية مبعثر على نطاق واسع، فإن متوسط ​​قيمة معامل رد يتناقص مع زيادة سرعة الاصطدام. تفتيت كل من المجاميع الغبار عادة على أثر لالسرعات أعلاه ~ 1 م / ثانية (انظر فيلم 7 للحصول على مثال). لالسرعات بين 0.4 ~ و ~ 1 م / ثانية، يمكن أن يحدث تفتت واحد فقط من اثنين من الاصطدام المجاميع الغبار. في هذه الحالة، والمكاسب غير تفتيت الغبار الكلي على نسبة ضئيلة من الكتلة عن طريق التحويل الشامل 13. حدود السرعة المذكورة أعلاه ليست حادة ولكن دلالة ما يقرب من حيث الحدود بين الأنظمة المختلفة تكمن 2،11. لاصطدام بين المجاميع الغبار من مختلف الأحجام والسرعات المعتدلة، والآثار عموما لن تؤدي ر<html> س تفتيت أكبر من اثنين من المجاميع الغبار. على العكس، فإن الهيئات أكبر زيادة كتلتها عن طريق نقل جزء من كتلة الرواطم أصغر (انظر فيلم 8). للحالات، في اثنين من المجاميع الغبار ترتد بعضها البعض، ونقل من الطاقة الحركية متعدية قبل الاصطدام (مانع أن المجاميع الغبار لا تدوير قبل الاصطدام) إلى طاقة حركية متعدية، الطاقة الحركية التناوب، وغيرها ( المبددة) ويمكن تحديد قنوات الطاقة (مثل الضغط من الركام والغبار). وجدنا أن لاصطدام المركزية (التي يمكن إهمال الطاقة الدورانية) كمية النسبية للطاقة تبدد يزيد بشدة مع زيادة سرعة وأعلى لأدنى عوامل ملء حجم الغبار المجاميع 12. يمكن أن تكون على غرار هذا السلوك حسب ديناميات الجزيئية المحاكاة 12. ال تي تي بي :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 &quot;الهدف =&quot; _blank &quot;&gt; فيلم 1. فيلم عالي السرعة (لعبت مرة أخرى في حركة بطيئة) من الجسيمات على واحد في سلسلة ( أعلى) وآلية إطلاق فخ الباب (القاع). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mold_cluster_cluster.MP4" target="_blank">الفيلم 2</a> . فيلم عالي السرعة (لعبت مرة أخرى في حركة بطيئة) من آلية إطلاق فخ الباب المزدوج. العينتين هي كتل من آل 2 O 3 جزيئات من 2 مم، التي ما زالت محصورة أثناء السقوط الحر بسبب اضطراب منخفضة للغاية خلال الإصدار. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/scissor.MP4" target="_blank">الفيلم 3</a> . فيلم عالي السرعة (لعبت مرة أخرى في حركة بطيئة) من مقص من نوع آلية إطلاق مزدوجة. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/dw-trapdoor.MP4" target="_blank">فيلم</a>4. فيلم عالي السرعة (لعبت مرة أخرى في حركة بطيئة) من فخ الباب آلية إطلاق مزدوجة الجناحين. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/trigger.wmv" target="_blank">الفيلم 5</a> . الرسوم المتحركة من الالكترونيات الموقت التبديل آلية إطلاق العلوي والسفلي، وكذلك إطلاق سراح الكاميرا لسقوط حر. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/9ms_2.MP4" target="_blank">الفيلم 6</a> . فيلم عالي السرعة (لعبت مرة أخرى في حركة بطيئة) حدوث تصادم بين اثنين كذاب 5 من الغبار الكلي اسطوانات سم الحجم. يتم الإفراج عن اثنين من المجاميع الغبار بواسطة مقص من نوع آلية إطلاق مزدوجة وتتصادم مع 0.09 متر / ثانية السرعة. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/fragmentation.MP4" target="_blank">فيلم 7</a> . فيلم عالي السرعة (لعبت مرة أخرى في حركة بطيئة) اثنين من 2 سم الحجم المجاميع الغبار أسطواني collidiنانوغرام في السرعة النسبية 7.4 متر / ثانية. كل من المجاميع تفتيت تماما. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mass-transfer.MP4" target="_blank">فيلم 8</a> . فيلم عالي السرعة (لعبت مرة أخرى في حركة بطيئة) من مجموع المباراتين 5 ملم الحجم الغبار التي تؤثر على مسافة 5 سم الحجم المستهدف صلبة أسطواني. كما سرعة تأثير 4.3 متر / ثانية فوق سرعة تفتيت الكلي الغبار الصغيرة، وهذا ينهار ونقل جزء من كتلتها إلى الهدف، الذي يكون مرئيا بوضوح في الفيلم. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/tracking_new.mov" target="_blank">فيلم 9</a> . تحديد مسارات الجسيمات بواسطة خوارزمية الجسيمات تتبع شبه التلقائي. هنا، يظهر تصادم بين اثنين من 2 سم، الحجم المجاميع الغبار كروية.

Watch this Scientific Journal Video about Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System at JoVE.com

Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System

نقدم تقنية لتحقيق سرعة منخفضة إلى متوسطة السرعة الاصطدامات بين المجاميع الغبار الهشة في المختبر. لهذا الغرض، تم وضع اثنين من فراغ الاجهزة قطرة برج تسمح سرعات التصادم بين &lt;0.01 و~ 10 م / ثانية. يتم تسجيل الأحداث الاصطدام بواسطة التصوير عالية السرعة.

مختبر أبراج إسقاط لمحاكاة التجريبية من التصادم الغبار والركام في النظام الشمسي المبكر

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust ...

laboratory-drop-towers-for-experimental-simulation-dust-aggregate

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Kinetics of a Particle: Impulse and Momentum

SCIENTISTS IN ACTION

12.6K Views.  Technische Universität Braunschweig.  نقدم تقنية لتحقيق سرعة منخفضة إلى متوسطة السرعة الاصطدامات بين المجاميع الغبار الهشة في المختبر. لهذا الغرض، تم وضع اثنين من فراغ الاجهزة قطرة برج تسمح سرعات التصادم بين 

Video: Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System

Harvesting Solar Energy by Means of Charge-Separating Nanocrystals and Their Solids

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials offering a superior control over the spatial distribution of charge carriers across material interfaces. As this study demonstrates, a combination of donor-acceptor nanocrystal (NC) domains in a single nanoparticle can lead to the realization of efficient photocatalytic1-5 materials, while a layered assembly of donor- and acceptor-like nanocrystals films gives rise to photovoltaic materials.
Initially the paper focuses on the synthesis of composite inorganic nanocrystals, comprising linearly stacked ZnSe, CdS, and Pt domains, which jointly promote photoinduced charge separation. These structures are used in aqueous solutions for the photocatalysis of water under solar radiation, resulting in the production of H2 gas. To enhance the photoinduced separation of charges, a nanorod morphology with a linear gradient originating from an intrinsic electric field is used5. The inter-domain energetics are then optimized to drive photogenerated electrons toward the Pt catalytic site while expelling the holes to the surface of ZnSe domains for sacrificial regeneration (via methanol). Here we show that the only efficient way to produce hydrogen is to use electron-donating ligands to passivate the surface states by tuning the energy level alignment at the semiconductor-ligand interface. Stable and efficient reduction of water is allowed by these ligands due to the fact that they fill vacancies in the valence band of the semiconductor domain, preventing energetic holes from degrading it. Specifically, we show that the energy of the hole is transferred to the ligand moiety, leaving the semiconductor domain functional. This enables us to return the entire nanocrystal-ligand system to a functional state, when the ligands are degraded, by simply adding fresh ligands to the system4.
To promote a photovoltaic charge separation, we use a composite two-layer solid of PbS and TiO2 films. In this configuration, photoinduced electrons are injected into TiO2 and are subsequently picked up by an FTO electrode, while holes are channeled to a Au electrode via PbS layer6. To develop the latter we introduce a Semiconductor Matrix Encapsulated Nanocrystal Arrays (SMENA) strategy, which allows bonding PbS NCs into the surrounding matrix of CdS semiconductor. As a result, fabricated solids exhibit excellent thermal stability, attributed to the heteroepitaxial structure of nanocrystal-matrix interfaces, and show compelling light-harvesting performance in prototype solar cells7.

A general strategy for the development of charge-separating semiconductor nanocrystal composites deployable for solar energy production is presented. We show that assembly of donor-acceptor nanocrystal domains in a single nanoparticle geometry gives rise to a photocatalytic function, while bulk-heterojunctions of donor-acceptor nanocrystal films can be used for photovoltaic energy conversion.

حصاد الطاقة الشمسية من وسائل البلورات النانوية المسؤول فصل المواد الصلبة وتلك

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials ...

Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory

A planetary interior is under high-pressure and high-temperature conditions and it has a layered structure. There are two important processes that led to that layered structure, (1) percolation of liquid metal in a solid silicate matrix by planet differentiation, and (2) inner core crystallization by subsequent planet cooling. We conduct high-pressure and high-temperature experiments to simulate both processes in the laboratory. Formation of percolative planetary core depends on the efficiency of melt percolation, which is controlled by the dihedral (wetting) angle. The percolation simulation includes heating the sample at high pressure to a target temperature at which iron-sulfur alloy is molten while the silicate remains solid, and then determining the true dihedral angle to evaluate the style of liquid migration in a crystalline matrix by 3D visualization. The 3D volume rendering is achieved by slicing the recovered sample with a focused ion beam (FIB) and taking SEM image of each slice with a FIB/SEM crossbeam instrument. The second set of experiments is designed to understand the inner core crystallization and element distribution between the liquid outer core and solid inner core by determining the melting temperature and element partitioning at high pressure. The melting experiments are conducted in the multi-anvil apparatus up to 27 GPa and extended to higher pressure in the diamond-anvil cell with laser-heating. We have developed techniques to recover small heated samples by precision FIB milling and obtain high-resolution images of the laser-heated spot that show melting texture at high pressure. By analyzing the chemical compositions of the coexisting liquid and solid phases, we precisely determine the liquidus curve, providing necessary data to understand the inner core crystallization process.

The high-pressure and high-temperature experiments described here mimic planet interior differentiation processes. The processes are visualized and better understood by high-resolution 3D imaging and quantitative chemical analysis.

محاكاة لعمليات الكواكب الداخلية التمايز في المختبر

A planetary interior is under high-pressure and high-temperature conditions and it has a layered structure. There are two important processes that led to ...

Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for detailed observation, scenarios that make it challenging to observe with conventional imaging systems. One of these is the drop impact of liquids, which usually happens within one tenth of millisecond. To tackle this challenge, a fast imaging technique is introduced that combines a high-speed camera (capable of up to one million frames per second) with a macro lens with long working distance to bring the spatial resolution of the image down to 10 &#181;m/pixel. The imaging technique enables precise measurement of relevant fluid dynamic quantities, such as the flow field, the spreading distance and the splashing speed, from analysis of the recorded video. To demonstrate the capabilities of this visualization system, the impact dynamics when droplets of non-Newtonian fluids impinge on a flat hard surface are characterized. Two situations are considered: for oxidized liquid metal droplets we focus on the spreading behavior, and for densely packed suspensions we determine the onset of splashing. More generally, the combination of high temporal and spatial imaging resolution introduced here offers advantages for studying fast dynamics across a wide range of microscale phenomena.

Drop impact of non-Newtonian fluids is a complex process since different physical parameters influence the dynamics over a very short time (less than one tenth of a millisecond). A fast imaging technique is introduced in order to characterize the impact behaviors of different non-Newtonian fluids.

سريع التصوير وتقنيات لدراسة تأثير انخفاض ديناميات السوائل غير النيوتونية

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for ...

Integrating a Triplet-triplet Annihilation Up-conversion System to Enhance Dye-sensitized Solar Cell Response to Sub-bandgap Light

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents and hence higher efficiencies. Photon up-conversion by way of triplet-triplet annihilation (TTA-UC) is an attractive technique for using these otherwise wasted low energy photons to produce photocurrent, while not interfering with the photoanodic performance in a deleterious manner. Further to this, TTA-UC has a number of features, distinct from other reported photon up-conversion technologies, which renders it particularly suitable for coupling with DSC technology. In this work, a proven high performance TTA-UC system, comprising a palladium porphyrin sensitizer and rubrene emitter, is combined with a high performance DSC (utilizing the organic dye D149) in an integrated device. The device shows an enhanced response to sub-bandgap light over the absorption range of the TTA-UC sub-unit resulting in the highest figure of merit for up-conversion assisted DSC performance to date.

An integrated device, incorporating a dye-sensitized solar cell and triplet-triplet annihilation up-conversion unit was produced, affording enhanced light harvesting, from a wider section of the solar spectrum. Under modest irradiation levels a significantly enhanced response to low energy photons was demonstrated, yielding a record figure of merit for dye-sensitized solar cells.

دمج ثلاثية-ثلاثية الابادة نظام يصل التحويل إلى تعزيز صبغ توعية للاستجابة الخلايا الشمسية لذات فجوة الحزمة الفرعية الخفيفة

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents ...

Ambient Method for the Production of an Ionically Gated Carbon Nanotube Common Cathode in Tandem Organic Solar Cells

A method of fabricating organic photovoltaic (OPV) tandems that requires no vacuum processing is presented. These devices are comprised of two solution-processed polymeric cells connected in parallel by a transparent carbon nanotubes (CNT) interlayer. This structure includes improvements in fabrication techniques for tandem OPV devices. First the need for ambient-processed cathodes is considered. The CNT anode in the tandem device is tuned via ionic gating to become a common cathode. Ionic gating employs electric double layer charging to lower the work function of the CNT electrode. Secondly, the difficulty of sequentially stacking tandem layers by solution-processing is addressed. The devices are fabricated via solution and dry-lamination in ambient conditions with parallel processing steps. The method of fabricating the individual polymeric cells, the steps needed to laminate them together with a common CNT cathode, and then provide some representative results are described. These results demonstrate ionic gating of the CNT electrode to create a common cathode and addition of current and efficiency as a result of the lamination procedure.

A method of fabricating, in ambient conditions, organic photovoltaic tandem devices in a parallel configuration is presented. These devices feature an air-processed, semi-transparent, carbon nanotube common cathode.

الطريقة المحيطة لإنتاج وIonically عن طريق بوابة الأنابيب الجزيئية الكربونية القطب السالب المشترك جنبا الى جنب في خلايا الشمسية العضوية

A method of fabricating organic photovoltaic (OPV) tandems that requires no vacuum processing is presented. These devices are comprised of two ...

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical properties. The possibility of doping was investigated by adding monovalent cation halides with similar ionic radii to Pb2+, including Cu+, Na+, and Ag+. A shift in the Fermi level and a remarkable decrease of sub-bandgap optical absorption, along with a lower energetic disorder in the perovskite, was achieved. An order-of-magnitude enhancement in the bulk hole mobility and a significant reduction of transport activation energy within an additive-based perovskite device was attained. The confluence of the aforementioned improved properties in the presence of these cations led to an enhancement in the photovoltaic parameters of the perovskite solar cell. An increase of 70 mV in open circuit voltage for AgI and a 2 mA/cm2 improvement in photocurrent density for NaI- and CuBr-based solar cells were achieved compared to the pristine device. Our work paves the way for further improvements in the optoelectronic quality of CH3NH3PbI3 perovskite and subsequent devices. It highlights a new avenue for investigations on the role of dopant impurities in crystallization and controls the electronic defect density in perovskite structures.

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Here, we present a protocol to adjust the properties of solution-processed CH3NH3PbI3 through the incorporation of monovalent cation additives in order to achieve highly efficient perovskite solar cells.

أحادي التكافؤ الموجبة المنشطات من CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; لكفاءة الخلايا الشمسية Perovskite

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical ...

Electrospinning of Photocatalytic Electrodes for Dye-sensitized Solar Cells

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of electrospun titanium dioxide nanofibers (TiO2-NFs) on top of a blocking layer made of commercially available titanium dioxide nanoparticles (TiO2-NPs). This is achieved by first electrospinning a solution of titanium (IV) butoxide, polyvinylpyrrolidone (PVP), and glacial acetic acid in ethanol to obtain composite PVP/TiO2 nanofibers. These are then calcined at 500 &#176;C to remove the PVP and to obtain pure anatase-phase titania nanofibers. This material is characterized using scanning electron microscopy (SEM) and powder X-ray diffraction (XRD). The photoanode is prepared by first creating a blocking layer through the deposition of a TiO2-NPs/terpineol slurry on a fluorine-doped tin oxide (FTO) glass slide using doctor blading techniques. A subsequent thermal treatment is performed at 500 &#176;C. Then, the light-scattering layer is formed by depositing a TiO2-NFs/terpineol slurry on the same slide, using the same technique, and calcinating again at 500 &#176;C. The performance of the photoanode is tested by fabricating a dye-sensitized solar cell and measuring its efficiency through J-V curves under a range of incident light densities, from 0.25-1 Sun.

The overall goal of this project was to use electrospinning to fabricate a photoanode with improved performance for dye-sensitized solar cells.

إلكتروسبينينغ من أقطاب تحفيز ضوئي للخلايا الشمسية توعية صبغ

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of ...

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction of degradation mechanisms and prevention of module field failure can consequently decrease investment risks as well as increase the electricity yield. An improved knowledge level can for these reasons significantly decrease the total costs of PV electricity. 
In order to better understand and minimize the degradation of PV modules, the occurring degradation mechanisms and conditions should be identified. This should preferably happen under combined stresses, since modules in the field are also simultaneously exposed to multiple stress factors. Therefore, two 'Combined Stress test with in situ measurement' setups have been designed and constructed. These setups allow the simultaneous use of humidity, temperature, illumination, and electrical biases as independently controlled stress factors on solar cells and minimodules. The setups also allow real-time monitoring of the electrical properties of these samples. This protocol presents these setups and describes the experimental possibilities. Moreover, results obtained with these setups are also presented: various examples about the influence of both deposition and degradation conditions on the stability of thin film Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) as well as Cu2ZnSnSe4 (CZTS) solar cells are described. Results on the temperature dependency of CIGS solar cells are also presented.

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for CuIn,GaSe2 Solar Cells

Two &#39;Combined Stress test with in situ measurement&#39; setups, which allow real-time monitoring of accelerated degradation of solar cells and modules, were designed and constructed. These setups allow the simultaneous use of humidity, temperature, electrical biases, and illumination as independently controlled stress factors. The setups and various experiments executed are presented.

في الموقع رصد تدهور الأداء المتسارع للخلايا الشمسية والوحدات النمطية: دراسة حالة للخلايا الشمسية2 Se Cu (في, Ga)

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction ...

Indoor Experimental Assessment of the Efficiency and Irradiance Spot of the Achromatic Doublet on Glass (ADG) Fresnel Lens for Concentrating Photovoltaics

We present a method to characterize achromatic Fresnel lenses for photovoltaic applications. The achromatic doublet on glass (ADG) Fresnel lens is composed of two materials, a plastic and an elastomer, whose dispersion characteristics (refractive index variation with wavelength) are different. We first designed the lens geometry and then used ray-tracing simulation, based on the Monte Carlo method, to analyze its performance from the point of view of both optical efficiency and the maximum attainable concentration. Afterwards, ADG Fresnel lens prototypes were manufactured using a simple and reliable method. It consists of a prior injection of plastic parts and a consecutive lamination, together with the elastomer and a glass substrate to fabricate the parquet of ADG Fresnel lenses. The accuracy of the manufactured lens profile is examined using an optical microscope while its optical performance is evaluated using a solar simulator for concentrator photovoltaic systems. The simulator is composed of a xenon flash lamp whose emitted light is reflected by a parabolic mirror. The collimated light has a spectral distribution and an angular aperture similar to the real Sun. We were able to assess the optical performance of the ADG Fresnel lenses by taking photographs of the irradiance spot cast by the lens using a charge-coupled device (CCD) camera and measuring the photocurrent generated by several types of multi junction (MJ) solar cells, which have been previously characterized at a solar simulator for concentrator solar cells. These measurements have demonstrated the achromatic behavior of ADG Fresnel lenses and, as a consequence, the suitability of the modelling and manufacturing methods.

Indoor Experimental Assessment of the Efficiency and Irradiance Spot of the Achromatic Doublet on Glass ADG Fresnel Lens for Concentrating Photovoltaics

The achromatic doublet on glass (ADG) Fresnel lens makes use of two materials with differing dispersion to reduce chromatic aberration and increase attainable concentration. In this paper, a protocol for the complete characterization of the ADG Fresnel lens is presented.

تقييم تجريبي داخلي للكفاءة والإشعاع بقعة ليبنوا متعامي على الزجاج (مساعد المدير العام) فريسنل العدسة لتركيز وحدات الطاقة الشمسية

We present a method to characterize achromatic Fresnel lenses for photovoltaic applications. The achromatic doublet on glass (ADG) Fresnel lens is ...

Experimental Procedure for Laboratory Studies of In Situ Burning : Flammability and Burning Efficiency of Crude Oil

A new method for the simultaneous study of the flammability and burning efficiency of fresh and weathered crude oil through two experimental laboratory setups is presented. The experiments are easily repeatable compared to operational scale experiments (pool diameter &#8805;2 m), while still featuring quite realistic in situ burning conditions of crude oil on water. Experimental conditions include a flowing water sub-layer that cools the oil slick and an external heat flux (up to 50 kW/m2) that simulates the higher heat feedback to the fuel surface in operational scale crude oil pool fires. These conditions enable a controlled laboratory study of the burning efficiency of crude oil pool fires that are equivalent to operational scale experiments. The method also provides quantitative data on the requirements for igniting crude oils in terms of the critical heat flux, ignition delay time as a function of the incident heat flux, the surface temperature upon ignition, and the thermal inertia. This type of data can be used to determine the required strength and duration of an ignition source to ignite a certain type of fresh or weathered crude oil. The main limitation of the method is that the cooling effect of the flowing water sub-layer on the burning crude oil as a function of the external heat flux has not been fully quantified. Experimental results clearly showed that the flowing water sub-layer does improve how representative this setup is of in situ burning conditions, but to what extent this representation is accurate is currently uncertain. The method nevertheless features the most realistic in situ burning laboratory conditions currently available for simultaneously studying the flammability and burning efficiency of crude oil on water.

Experimental Procedure for Laboratory Studies of In Situ Burning : Flammability and Burning Efficiency of Crude Oil

Here, we present a protocol to simultaneously study the flammability and burning efficiency of fresh and weathered crude oil under conditions that simulate in situ burning operations on the sea.

الإجراء التجريبي للدراسات المختبرية لحرق في الموقع : القابلية للاشتعال وكفاءة حرق النفط الخام

A new method for the simultaneous study of the flammability and burning efficiency of fresh and weathered crude oil through two experimental laboratory ...