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;.

ACHTUNG: Abhängig von der Gefährlichkeit der verwendeten Partikel, die in den entsprechenden Sicherheitsdatenblätter gefunden werden kann, muss Mundschutz und Schutzausrüstung von der Person, die mit dem Staub getragen werden. Es wird auch empfohlen, eine Saug-System nutzen die Umgebungsluft staubfrei zu halten. 1. Vorbereitung cm große Staubsammelproben <ol><li> Berechnen der Menge des benötigten Materials von m = Φ ρ 0 V, wobei m die Masse erforderlich ist Φ das gewünschte Volumen Füllfaktor (Volumenfüllungsfaktor = 1 - Porosität) ist ρ 0 die Materialdichte und V das Volumen der Probe. 77 g unregelmäßigen Silikatstaub (ρ 0 = 2,6 g / cm 3) ist erforderlich, um eine Probe Porosität von 70% (Volumenfüllungsfaktor = 0,3) für eine zylindrische Probe von 5 cm Durchmesser und Höhe zu erreichen sind. Hinweis: Bildung von terrestrischen plaNetze beginnt mit Koagulation von Mikrometer großen Staubkörner - überwiegend aus Silikaten - in cm-Größe porösen Körpern. Eine gut untersuchte und geeignete Laboranalog Material SiO 2, die als unregelmäßig geformte Pulver mit einer Größenverteilung im Bereich von 0,5 bis 10 &amp;mgr; m, sowie in Form von monodispersen kugelförmigen Körner zur besseren Vergleichbarkeit mit theoretischen Modellen zur Verfügung steht (siehe Tabelle 1 und Abbildung 1). </li></ol><table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="569"><tbody><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;width:161px;"> SiO 2-Monomer Korntyp </td><td style="width:96px;"> Hersteller </td><td style="width:119px;"> Partikeldurchmesser </td><td style="width:95px;"> Partikelform </td><td style="width:100px;"> Beispiel Abbildung </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> Monodisperse </td><td> Micromod </td><td> 1,52 ± 0,06 &amp;# 181; m </td><td> Sphärisch </td><td> Figur 1 (links) </td></tr><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;"> Polydisperse </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 0,1 bis 10 &amp;mgr; m </td><td> Unregelmäßig </td><td> Abbildung 1 (rechts) </td></tr></tbody></table> Tabelle 1. Merkmale der SiO 2-Partikel in den Staub-Aggregat-Kollisionsexperimente verwendet. <img alt="Figur 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" width="500" /> Abbildung 1. Elektronenmikroskopische Bilder von monodispersen (links) und polydisperse (rechts) SiO 2-Partikel zur Herstellung von makroskopischen Staubaggregate eingesetzt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <olstart = &quot;2&quot;&gt; <li> Nehmen Sie einen Behälter mit mikrometergroßen SiO 2-Teilchen (siehe Tabelle 1) und gießen Sie seinen Inhalt auf ein Sieb mit einer Maschenweite von 0,5 mm. Sichten eine ausreichende Menge an Material und füllt die berechnete Masse in die Form. Komprimieren des Materials in der Form durch Eindrücken eines Kolbens von Hand, bis die Probenhöhe erreicht ist (zB 5 cm). Drehen Sie sich um die Form auf den Kolben, öffnen Sie die Grundplatte und schieben Sie die Probe aus. Anmerkung: Die Proben können in verschiedenen Formen (sphärisch und zylindrisch), Größe (1 mm bis 10 cm) und Porositäten (60 bis 85%) hergestellt werden (siehe Abbildung 3). Die Proben können dann einzeln in den Kollisionsexperimente oder kombiniert in Cluster, die dann kollidieren mit anderen Aggregaten oder Cluster werden. </li></ol><img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> Abbildung 2. Fotografie von. die Variation der Staubsammelprobe Größen und Formen Die folgenden Beispiele zeigen: Staub Zylinder mit 1 cm, 2 cm und 5 cm Durchmesser (hintere Reihe), Staub-Kugeln mit 1 cm und 2 cm Durchmesser (mittlere Reihe) und 2-3 mm-Größe Al 2 O 3 Kugeln (vorne). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <ol start="3"><li> Charakterisieren Sie die Proben in Bezug auf Porosität und Homogenität. Wenn Proben fallen nicht erlaubt Margen produzieren neue Proben. <ol><li> Um die Porosität der Staubprobe zu bestimmen, zu bestimmen, deren Volumen durch Messung ihrer Abmessungen und ihrer Masse mittels einer Präzisionswaage. </li><li> Verwenden Röntgentomografie (RT) 12, um Informationen auf die Homogenität und die Porengrößenverteilung der hergestellten Probe zu gewinnen. Hinweis: Für die 5-cm-große Staubaggregate, fanden wir Abweichungen von der mittleren Volumen Füllen factor, das Verhältnis der Massendichte der Probe und der Materialdichte der Monomer-Staubpartikeln von nur etwa 1% in der Masse des Volumens der Proben und eine etwas größere Zunahme des Volumens Füllfaktor von bis zu 8% gegenüber den äußeren Begrenzungen 12. 3 zeigt eine XRT Rekonstruktion eines Schnittes durch eine zylindrische Staub Aggregat von 5 cm Durchmesser und 5 cm Höhe. Wir verwenden für jede XRT Staub Aggregat aber untersuchen die innere Struktur und Homogenität der Stichproben. </li></ol></li></ol><img alt="Fig. 3" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> 3. Rekonstruktion der inneren Struktur eines zylindrischen Staubsammelprobe von 5 cm Höhe und 5 cm Durchmesser nach XRT Analyse. Die Grauskala zeigt die Volumenfüllungsfaktor, der das Verhältnis der Massendichte ter probieren und die Materialdichte der Monomer-Staubpartikel. Von der XRT Rekonstruktion, ist es deutlich zu sehen, dass diese hohe Porosität Probe wurde unter Verwendung mm große Staubaggregate montiert. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 2. Prinzip der Fallturm-Setup <ol><li> Freigabemechanismen: Im oberen Teil des Fallturms zwei Freigabemechanismen angebracht sind eine auf die andere. Jeder von ihnen hält eine Probe und gibt sie in den freien Fall. Die Zeitdifferenz zwischen der Freigabe der oberen und unteren Partikel bestimmt die relative Geschwindigkeit des Kollisions. Gemäß der Morphologie und der Form der Teilchen, werden geeignete Freisetzungsmechanismen ausgewählt. Wenn ein Partikelbeschleunigungsmechanismus verwendet wird, wird nur ein Freigabemechanismus erforderlich. <ol><li> Particle-on-a-string Auslösemechanismus (sphärische Proben upper Teilchen): Dieser Auslösemechanismus besteht aus einer linearen Magnetmagneten und einem massiven Metallgegenstück. <ol><li> Befestigen Sie das Teilchen in einen String freigegeben werden. Halten Sie die Zeichenfolge im Ort, durch Klemm es zwischen dem Elektromagneten und dem massiven Metallgegenstück. </li><li> Um die Partikel zu lösen, wenden Sie einen elektrischen Strom an den Elektromagneten (siehe Video 1). </li></ol></li><li> Falltürfreigabemechanismus (sphärische Proben geringere Partikel): Dieser Lösemechanismus besteht aus einem Drehelektromagneten, dem ein Partikelhalterung befestigt ist. <ol><li> Platzieren der Partikel in einer halbkugelförmigen Form, die durch eine Drehmagnetspule nach unten gedreht wird, wenn ein elektrischer Strom angelegt wird (siehe Film 1). </li><li> Dieser Mechanismus kann auch für die Freisetzung von Partikel-Cluster oder Aggregat Klumpen verwendet werden. In diesem letzteren Fall, montieren zwei Falltürfreigabemechanismen übereinander (siehe Video 2). </li></ol&gt; </li><li> Scheren-Doppellösemechanismus (zylindrische Proben): Dieser Freigabemechanismus besteht aus zwei Paaren von Drehmagnetspulen, auf die ein Metallstab befestigt ist. Die beiden Magnetspulen jedes Freigabemechanismus sind so angeordnet, daß die zwei Metallstäbe parallel sind. <ol><li> Positionieren Sie die beiden Proben auf die zwei parallele Stangen jedem. </li><li> Anwenden eines elektrischen Stroms zu den beiden Drehmagneten, um die Teilchen in den freien Fall zu lösen. (Siehe Movie 3). </li></ol></li><li> Doppelflügel-Falltür Auslösemechanismus (zylindrische Proben in Kombination mit Partikelbeschleunigungsmechanismus): Dieses Release Mechanismus besteht aus zwei federbelastete Metallplatten, die zusammen eine v-förmige Kornhalter bilden. Die beiden Metallplatten sind an Ort und Stelle durch eine Metallstange, die mit einem Drehelektromagneten angebracht ist, gehalten. <ol><li> Legen Sie die zylindrischen Staubprobe auf das geschlossene Falltür. </li><li> Schalte die Falltür, indemein elektrischer Strom an den Elektromagneten. Um Prellen-back der Türen zu vermeiden, Wirbelstrombremsen stoppen (siehe Movie 4). Hinweis: Es ist wichtig, dass die Teilchen in den freien Fall ohne Anfangsgeschwindigkeit und Rotation freizugeben. Zu diesem Zweck mehrere Freigabemechanismen entwickelt (2.1.1 - 2.1.4). </li></ol></li></ol></li><li> Teilchenbeschleunigung Mechanismen: Beschleunigt die Partikel entweder durch eine vorgespannte Feder oder durch eine elektromagnetisch angetriebene Linearstufe. Beide Beschleuniger können mit Probenhalter für unterschiedlich geformte Partikel ausgestattet sein. </li> <li> Steuerelektronik: Stellen Sie den Timer und Release-Elektronik auf die entsprechenden Werte, um die gewünschte Kollisionsgeschwindigkeit zu erreichen und die Kamera in einer Mitte-der-Masse-Rahmen zu betreiben. Hinweis: Der Zeitpunkt der Partikelfreisetzung, Teilchenbeschleunigung und Kamera-Freisetzung wird durch eine Reihe von elektronischen Timer, deren Funktionalität in M erklärt geführtovie 5. </li></ol> 3. Durchführung von Experimenten <ol><li> Low-Geschwindigkeit Kollisionen (kleine Fallturm): <ol><li> Laden Sie die Proben in die Scherendoppelauslösemechanismus und in der Nähe Vakuumglasrohr. </li><li> Starten Evakuierung und Timer eingestellt Parameter. </li><li> Bringen Kameras, um ihre magnetischen Wechseleinheiten. Starten kontinuierliche Kameraaufnahme. Hinweis: Aufgrund der hohen Intensität der LED-Hellfeldbeleuchtung kann eine ausreichend kurze Belichtungszeit der Hochgeschwindigkeitskamera gewählt, dass die Partikelbewegung während der Exposition vernachlässigbar ist. Darüber muss der f-stop des Kameraobjektivs hoch genug Werte gesetzt, um die Tiefe des Fokus über den gesamten Durchmesser des Fallturms zu verlängern. </li><li> Wenn die gewünschte Vakuumqualität erreicht ist, schalten Sie Licht, den Startknopf drücken und laden Sie die Bildsequenzen. </li></ol></li><li> Hochgeschwindigkeits-Kollisionen (große Fallturm): <ol><li> Laden Sie die Proben in den Doppel-Siegg Falltürfreigabemechanismus und Beschleuniger und schließen Sie die Vakuumglasrohr. </li><li> Starten Evakuierung und Timer eingestellt Parameter. </li><li> Starten kontinuierliche Kameraaufnahme. Wenn die gewünschte Vakuumqualität erreicht ist, schalten Sie Licht ein und drücken Sie die Starttaste. Laden Sie die Bildsequenzen. Hinweis: Aufgrund der hohen Intensität der LED-Hellfeldbeleuchtung kann eine ausreichend kurze Belichtungszeit der Hochgeschwindigkeitskamera gewählt, dass die Partikelbewegung während der Exposition vernachlässigbar ist. Darüber muss der f-stop des Kameraobjektivs hoch genug Werte gesetzt, um die Tiefe des Fokus über den gesamten Durchmesser des Fallturms zu verlängern. </li></ol></li></ol> 4. Beispiel Experimente <ol><li> Laden Sie die Proben vorsichtig in den entsprechenden Release-Mechanismus. <ol><li> Low-Speed-Kollisionen (Doppelauslösemechanismus, 0,09 m / s): 5 cm vs 5 cm, Prellen. Laden Sie die Proben in zwei Scherenfreigabemechanismen. Zuerreichen Kollisionsgeschwindigkeiten von 0,09 m / sec, legen Sie die Partikel 7 mm auseinander und stellen Sie die Zeitverzögerung der Auslösemechanismen bis 9 ms. Hinweis: An dieser Aufprallgeschwindigkeit, die Staubproben voneinander abprallen nach der Kollision. Die Bildsequenz wird durch eine frei fallende High-Speed-Kamera (siehe Film 6) eingefangen. </li> <li> Hochgeschwindigkeits-Kollisionen (elektromagnetische Beschleuniger; 7,4 m / sec): 2 cm vs 2 cm, Fragmentierung. Laden Sie eine Probe auf die Doppelflügelfalltürfreigabemechanismus; Platzieren der anderen Probe auf dem Probenhalter der linearen Stufe Beschleuniger. Hinweis: Um die Kollisionsgeschwindigkeiten von 7,4 m / s zu erreichen, wird die untere Staub Gesamt sanft beschleunigt nach oben mit 2 g, während gleichzeitig die obere Staub Aggregat fällt. Bei einer relativen Geschwindigkeit von 7,4 m / sec, die Staubproben Fragment (siehe Film 7). </li> <li> High-Speed-Kollision von kleinen Aggregaten auf großen Aggregate: 0,5 cm vs 5 cm, Stoffübertragung. Last the große Probe auf eine Scheren-Auslösemechanismus; Legen Sie die kleinere Probe auf dem Probenhalter der Feder Beschleuniger. Hinweis: Um die für den Stoffaustausch erforderlich Kollisionsgeschwindigkeiten zu erreichen, wird die untere Staub Gesamt sanft beschleunigt nach oben, während gleichzeitig die obere Staub Aggregat fällt. An dieser Relativgeschwindigkeit, die kleiner Probenfragmente und überträgt eine kleine Menge der Masse auf die größere Probe. Da die Kamera fällt entlang der oberen (massiver) Teilchen, die Bilder von der High-Speed-Kamera aufgenommen wurden, geben den Eindruck einer großen Teilchen mehr oder weniger in Ruhe (siehe Movie-8), das ist nicht wahr, wie von außen gesehen der Fallturm. </li></ol></li><li> Schließen Sie die Vakuumglasrohr. </li><li> Das Vakuumventil vorsichtig zu öffnen, um die Pumpen, um langsame Evakuierung starten und die Timer-Parameter auf den erforderlichen Zeitdifferenz für die gewünschte Kollisionsgeschwindigkeit. </li><li> Bringen Kameras, um ihre Freilassung Einheiten (wenn frei fallenden Kameras verwendet werden).Starten kontinuierliche Kameraaufnahme und schalten Sie Beleuchtung. </li><li> Wenn die gewünschte Vakuumqualität erreicht ist, drücken Sie den Auslöser, um den Timer-Sequenz einzuleiten. </li><li> Laden Sie die von den High-Speed-Kameras an einen Computer aufgezeichnet Bildsequenzen. </li></ol> 5. Data Analysis <ol><li> Wählen Sie einen geeigneten Schwellengrauwert zwischen dem Hintergrund und der Objekte Grauwert. Erstellen eines binären Bild auf der Grundlage dieses Schwellenwerts, indem Pixel mit Grauwerten oberhalb der Schwelle zu weiß (Binärwert 1) und Pixel mit niedrigen Grauwerten zu schwarz (Binärwert 0). </li><li> Bestimmen Sie die Position der Partikel Mitte der Masse in jedem der Bilder. Eine gute Annäherung an die Mitte der Masse für symmetrische Teilchen zu bestimmen, ist die Mitte der projizierten Fläche. Dieses wird von binarisierten Bilder berechnet. </li><li> Verwenden Sie die relative Position der Objekte Zentren der Masse und die Zeitinformationen aus den Kamerabildern zur Berechnung derRelativgeschwindigkeit (siehe Film 9). Die Hänge des Positionskurve auf der rechten Seite des Film-9 gezeigt. <ol><li> Im Falle einer Kollision Prall, die relativen Geschwindigkeiten vor und nach dem Kontakt. Berechnen der Restitutionskoeffizient, dh das Verhältnis der Geschwindigkeit nach dem Stoß und vor. Zeichnen Sie die Relativgeschwindigkeit gegen den Restitutionskoeffizienten. Ein Beispiel dieser Analyse ist in Fig. 4 gezeigt. </li></ol></li></ol><img alt="Fig. 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" width="500" /> 4. Beispiel der Analyse Prellen Kollisionen. Der Restitutionskoeffizient, dh das Verhältnis der Rückprallgeschwindigkeit und die Aufprallgeschwindigkeit wird in Abhängigkeit von der Aufprallgeschwindigkeit aufgetragen. Kreise zeigen Daten für kugelförmige Aggregate von Staub 2 cm Durchter 13 (siehe Abbildung 2), Dreiecke bezeichnen Kollisionen zwischen zylindrischen Staubaggregate von 5 cm Durchmesser und 5 cm Höhe (siehe Abbildung 2) und zwei verschiedenen Volumenfüllung Faktoren von 0,3 bzw. 0,4 12. Die Daten zeigen einen Trend der abnehmenden Restitutionskoeffizient mit zunehmender Schlaggeschwindigkeit. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <ol start="2"><li> Wenn eine oder beide Partikel Fragment, bestimmen die Größen der so viele der größten Fragmente wie möglich durch Messung ihrer jeweiligen projizierten Flächen und bei entsprechender Formen. <ol><li> Wenn Fragmentierung nur ein Partikel auftritt, überträgt es in der Regel eine gewisse Menge seiner Masse zu der überlebenden Teilchen. Bestimmen Sie die Menge der übertragenen Masse durch Messung der Volumen akkretierten, vorausgesetzt, eine geeignete Form und Porosität, die Masse-transfe quantifizierenr Effizienz. </li></ol></li></ol>

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	<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. 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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. 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Preparation, critical rolling friction force, and specific surface energy.</a> Icarus. 214, 717-723 (2011).</li></ol>

We have nothing to disclose.

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 &quot;Schnee line&quot; in protoPlatten (die &quot;snow line&quot; 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.

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 &amp; 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 &quot;Gewinner&quot; 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.

<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

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.

Mit Hilfe der im Protokoll beschriebenen gut charakterisierten Staubsammelproben (siehe Abbildungen 1-3), wird jede in einem der Türme Laborabfall beobachtet Kollision wissenschaftlich wertvolle Informationen über die Ergebnisse von ähnlichen Kollisionen in protoplanetaren Scheiben zu erhalten. Wir haben bisher systematisch untersucht, die Ergebnisse der Kollisions 2 cm große sphärische Aggregate Staub (mit Lautstärke Füllfaktoren von 0,5) im Geschwindigkeitsbereich zwischen 0,008 und 2,02 m / sec 13 und von 5 cm großen zylindrischen Staubaggregate (mit Lautstärkefaktoren zwischen Füllung 0,3 und 0,5) im Geschwindigkeitsbereich zwischen 0,004 und 2 m / sec 12. Wir fanden zwischen den springenden Staubaggregate als der dominierenden Ergebnis für Geschwindigkeiten unterhalb von ~ 0,4 m / s für beide Arten von Staub Aggregate (siehe Film 6 für ein Beispiel). In Fig. 4 ist der Restitutionskoeffizient dieser Prellen Kollisionen dargestellt. Die Kreise bezeichnen die Experimente 2cm großen kugelförmigen Proben 13 und die Dreiecke repräsentieren Ergebnisse von Kollisionen zwischen 5 cm große Staub-Zylinder mit zwei unterschiedlichen Packungsdichten 12. Obwohl die Restitutionskoeffizienten der einzelnen Versuche streuen breit, der durchschnittliche Wert der Restitutionskoeffizient mit zunehmender Kollisionsgeschwindigkeit abnimmt. Beide Aggregate in der Regel Staub fragmentieren beim Aufprall für Geschwindigkeiten oberhalb von ~ 1 m / s (siehe Film 7 für ein Beispiel). Für Geschwindigkeiten zwischen ~ 0,4 und ~ 1 m / sec, kann die Fragmentierung von nur einem der zwei kollidierenden Staub-Aggregate auftreten. In diesem Fall gewinnt der Nicht-Fragmentierungs-Staub Aggregat ein paar Prozent der Masse durch Massentransfer 13. Die oben genannten Geschwindigkeitsgrenzen sind nicht scharf, sondern bezeichnen ungefähr dort, wo die Grenzen zwischen den verschiedenen Regelungen liegen 2,11. Für Kollisionen zwischen Staubaggregate in verschiedenen Größen und moderate Geschwindigkeiten, werden Auswirkungen in der Regel nicht führen t<html> o die Fragmentierung des größeren der beiden Staubaggregate. Auf der gegenüberliegenden, die größere Körper erhöhen ihre Masse durch Übertragung eines Teils der Masse der kleineren Schlag (siehe Film 8). Für die Fälle, in denen die beiden Aggregate Staub prallen aufeinander, die Übertragung von der Translationsenergie vor der Kollision (nichts, dass die Staubaggregate nicht vor der Kollision zu drehen) in Translationsenergie, kinetische Rotationsenergie und andere ( dissipative) Energiekanäle (zB Verdichtung der Staubaggregate) bestimmt werden. Wir fanden, daß für die zentrale Kollisionen (in dem die Rotationsenergie vernachlässigt werden kann) die relative Menge der dissipierten Energie stark mit zunehmender Geschwindigkeit zunimmt und höher für niedrigere Volumen Füllfaktoren der Staubaggregate 12. Dieses Verhalten kann durch Molekulardynamik-Simulationen 12 modelliert werden. TTPs :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Film ein. High-Speed-Film (in Zeitlupe gespielt) der Teilchen-on-a-string ( oben) und Falltürfreigabemechanismus (unten). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mold_cluster_cluster.MP4" target="_blank">Movie 2</a> . High-Speed-Film (in Zeitlupe gespielt) der Doppelfalltür Auslösemechanismus. Beide Proben sind Klumpen von Al 2 O 3-Partikel von 2 mm Durchmesser, die im freien Fall beschränkt bleiben aufgrund der extrem geringen Störung während der Freigabe. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/scissor.MP4" target="_blank">Movie 3</a> . High-Speed-Film (in Zeitlupe gespielt) der Scherendoppelauslösemechanismus. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/dw-trapdoor.MP4" target="_blank">Film</a>4. High-Speed-Film (in Zeitlupe gespielt) der Doppelflügel-Falltürfreigabemechanismus. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/trigger.wmv" target="_blank">Movie-5</a> . Animation der Timer Schaltelektronik die obere und untere Auslösemechanismus sowie die Kameraauslöse freien Fall. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/9ms_2.MP4" target="_blank">Movie-6</a> . High-Speed-Film (in Zeitlupe gespielt) eines springenden Kollision zwischen zwei 5 cm große Staub-Aggregat-Zylindern. Die beiden Aggregate Staub werden durch die Scherendoppellösemechanismus gelöst und kollidieren mit 0,09 m / s Geschwindigkeit. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/fragmentation.MP4" target="_blank">Movie-7</a> . High-Speed-Film (in Zeitlupe gespielt) von zwei 2 cm-Größe zylindrischen Staubaggregate colliding mit einer relativen Geschwindigkeit von 7,4 m / sec. Beide Aggregate fragmentieren vollständig. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mass-transfer.MP4" target="_blank">Film 8</a> . High-Speed-Film (in Zeitlupe gespielt) einer 5 mm große Staub Aggregat Auswirkungen auf eine 5 cm großen zylindrischen Festkörper-Target. Da die Aufprallgeschwindigkeit von 4,3 m / sec über der Fragmentierungsgeschwindigkeit der kleine Staubzuschlagstoff, bricht diese auseinander und überträgt einen Teil seiner Masse zum Ziel, das im Film deutlich sichtbar ist. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/tracking_new.mov" target="_blank">Film 9</a> . Bestimmung der Partikelbahnen durch eine halbautomatische Partikelverfolgungsalgorithmus. Hier wird die Kollision zwischen zwei 2 cm große sphärische Aggregate Staub dargestellt.

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

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 &lt;0,01 und ~ 10 m / sec. Die Kollisionsereignisse werden durch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen aufgezeichnet.

Labor-Tropfen-Towers für die Experimentelle Simulation von Staub-Aggregat-Kollisionen im frühen Sonnensystem

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 ...

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Kinetics of a Particle: Impulse and Momentum

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12.6K Aufrufe.  Technische Universität Braunschweig.  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 

Serie: 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.

Harvesting Solar Energy mittels Charge-Trennung Nanokristalle und ihre Solids

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

Forschung

Ingenieurwesen

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.

Simulation der Planeteninnendifferenzierungsprozesse im Labor

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.

Schnelle Bildtechnik Tropfen Schlag Dynamik der Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten Studieren

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.

Integration einer Triplett-Triplett-Annihilation Up-Conversion-System, um Farbstoffsolarzellantwort auf Sub-Bandgap-Licht Enhance

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.

Ambient Verfahren zur Herstellung eines ionisch Gated Carbon Nanotube Gemeinsame Kathode in Tandem Organische Solarzellen

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.

Einwertiges Kation Dotierung von CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PbI<sub&gt; 3</sub&gt; Für effiziente Perowskit-Solarzellen

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.

Elektrospinnen von photokatalytischen Elektroden für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

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.

In Situ Überwachung von der beschleunigten Leistungsabfall von Solarzellen und Modulen: eine Fallstudie für Cu (In, Ga) Se2 Solarzellen

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.

Indoor experimentelle Bewertung der Effizienz und der Bestrahlungsstärke vor Ort von der achromatischen Doublet auf Glas (ADG) Fresnel-Linse für die Konzentration Photovoltaik

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

Processing of Bulk Nanocrystalline Metals at the US Army Research Laboratory

Given their potential for significant property improvements relative to their large grained counterparts, much work has been devoted to the continued development of nanocrystalline metals. Despite these efforts, the transition of these materials from the lab bench to actual applications has been blocked by the inability to produce large scale parts that retain the desired nanocrystalline microstructures. Following the development of a method proven to stabilize the nanosized grain structure to temperatures approaching that of the melting point for the given metal, the US Army Research Laboratory (ARL) has progressed to the next stage in the development of these materials - namely the production of large scale parts suitable for testing and evaluation in a range of relevant test environments. This report provides a broad overview of the ongoing efforts in the processing, characterization, and consolidation of these materials at ARL. In particular, focus is placed on the methodology used for producing the nanocrystalline metal powders, in both small and large-scale amounts, that are at the center of ongoing research efforts.

This paper provides a brief overview of the ongoing efforts at the Army Research Laboratory on the processing of bulk nanocrystalline metals with an emphasis on the methodologies used for the production of the novel metal powders.

Verarbeitung von Bulk nanokristallinen Metallen bei der US Army Research Laboratory

Given their potential for significant property improvements relative to their large grained counterparts, much work has been devoted to the continued ...