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.

En raison de la précision mécanique élevée, la vitesse de deux tours de chute de défaillance est extrêmement faible. Ceci est d&#39;une importance capitale, car la préparation de l&#39;échantillon peut prendre plusieurs heures, selon la taille, la forme et la porosité des agrégats de poussières souhaités. Il convient de mentionner que les gros agrégats de poussières avec des porosités très élevées sont extrêmement fragiles et, par conséquent, difficile à manipuler. Il se peut que ces agrégats de poussière cassent lors de l&#39;extraction hors du moule ou le transfert à la tour de chute. Dans ces cas, un nouvel échantillon doit être préparé. Ainsi, il est important que la petite tour de chute permet fiables (et prévisibles) des vitesses de collision jusqu&#39;à 0,01 m / s ou 11,13. La vitesse la plus basse jusqu&#39;à présent réalisé d&#39;impact était de 0,004 m / sec. Ces petites vitesses d&#39;impact ne peuvent être atteints pour des particules libres dans un environnement de microgravité. La tour de chute de laboratoire est une réalisation pas cher et polyvalent d&#39;une telle installation de microgravité. Alternave méthodes pour atteindre des vitesses à faible impact utilisent des techniques de lévitation 14,15 (par exemple en lévitation électromagnétique ou aérodynamique) mais généralement induire une force entre les particules entrent en collision, qui doit être pris en compte dans l&#39;analyse des collisions. En outre, la lévitation induit souvent un mouvement de rotation 14, qui, si non désirée, ne permet pas de collisions libre rotation, mais, d&#39;autre part, pourrait même permettre des simulations réalistes de collisions entre les particules en rotation. En cas de lévitation aérodynamique, les effets à coussin d&#39;air au cours de la collision peuvent induire des conditions indésirables qui ne correspondent pas à celles de disques protoplanétaires. Cependant, la lévitation permet de temps d&#39;observation et des expériences reproductibles illimitée de sorte qu&#39;il doit être considéré comme une alternative à la tour de chute si la limite de temps est essentiel. Tous nos efforts jusqu&#39;ici ont été concentrés sur SiO 2 en tant que représentant des silicates dans le terrestre-planète formation région de jeunes systèmes solaires. Comme la plupart de la masse des disques protoplanétaires est concentrée au-delà du point de la glace d&#39;eau de condensation, il est essentiel d&#39;étudier également le comportement de collision des agrégats constitués de H 2 O-grains de glace um taille. Nous sommes en train de mettre en place une tour de chute cryo-vide à cette fin. Il faut noter que les températures dans ces expériences de simulation doit être en dessous de ~ 150 K, ce qui est la température de la dite &quot;ligne de neige&quot; en disques proto (la «ligne de neige&quot; divise les régions intérieures où l&#39;eau est dans la phase vapeur phase à partir des régions périphériques, où il se trouve sous forme de glace d&#39;eau solide). Nous avons montré que la formation de particules de glace d&#39;eau um taille est faisable et que les agrégats ceux-ci peuvent être produites 16 de sorte que nous sommes optimistes d&#39;avoir les premiers résultats sur le comportement de collision dans les 1-2 prochaines années.

Il est généralement admis que la formation de la planète commence par l&#39;accumulation non-gravitationnelle de microscopiques grains de poussière dans de plus grands agrégats de poussière (voir l&#39;étude de Blum &amp; Wurm) 1. Les particules de poussière se heurtent dans leurs disques protoplanétaires due au mouvement brownien, mouvements relatifs de la dérive et de la turbulence du gaz de la nébuleuse (voir la revue de Johansen et al.) 2. Si les vitesses de collision sont suffisamment faibles, les particules de poussières se collent ensemble pour former des agglomérats plus grands. Une multitude de mesures en laboratoire au cours des dernières années ont conduit à un modèle de collision poussière globale qui prédit le résultat d&#39;une paire d&#39;agrégats de poussière avec des masses arbitraires et des vitesses de collision 3. Les résultats de collision de base sont collés (en général pour les petites masses globales et des vitesses de collision faible), le rebondissement et la fragmentation (pour des vitesses élevées d&#39;impact). Cependant, les transitions entre ces phases ne sont pas nettes et il existe d&#39;autresrésultats, comme, par exemple, le transfert de masse ou de l&#39;érosion. L&#39;application de ce modèle à un disque protoplanétaire typique prédit la croissance des agrégats de poussière cm de taille au sein de quelques milliers d&#39;années 4. La présence d&#39;agrégats de poussière cm de taille a été étudiée par des observations astronomiques au cours des dernières années et peut maintenant être considérée comme établie (voir la revue de Testi et al.) 5, de sorte que nous concluons que le mécanisme principe selon lequel les premiers organismes macroscopiques chez les jeunes systèmes planétaires se forment a été identifié. Toutefois, la poursuite de la croissance à des organismes d&#39;au moins la taille des kilomètres n&#39;est pas si clair. Pour la région de Terre-planète, deux hypothèses sont actuellement discutées (voir aussi les commentaires récents sur cette question par Johansen et al 2 et Testi et al 5.).: (I) la concentration des agrégats de poussière cm de taille, par exemple par la le streaming instabilité 6 et gravit la suiteeffondrement ational 7,8 et (ii) la croissance de quelques «gagnants» à de plus grandes tailles avec ultérieure accrétion de masse par le processus de transfert de masse 9,10,11. Dans les deux modèles, les agrégats de poussière cm taille subissent un très grand nombre de collisions mutuelles faible à une vitesse modérée. On ne sait pas ce que les résultats possibles de ces collisions (en plus de rebondissement) sont. Pour améliorer le modèle de collision poussière total par Güttler et al. 3 et à étudier plus en détail les collisions entre les agrégats de poussière macroscopiques dans les régimes de vitesse pertinents, nous mettre en place deux tours d&#39;abandon dans notre laboratoire, dans lequel les collisions agrégats total individuelles peuvent être étudié dans les moindres détails dans des conditions de vide et microgravité. Les deux tours de chute possèdent une hauteur de chute libre de 1,5 m, ce qui limite la durée d&#39;observation à ~ 0,5 sec. Ainsi, nous observons les collisions par des caméras à haute vitesse avec le format mégapixels et jusqu&#39;à 7500 images par seconde.Pour un contraste maximum et des vitesses d&#39;enregistrement élevés, éclairage sur fond clair est choisi. L&#39;éclairage est donc fournie par des panneaux LED de haute intensité et homogénéisé par des écrans de diffusion. Ainsi, les caméras à haute vitesse voir la poussière collision regroupe des objets sombres en face d&#39;un écran éclairé. Pour éviter le scintillement, les voyants sont alimenté en courant continu. Pour atteindre des vitesses de collision faible, les deux agrégats de poussière sont placés au-dessus de l&#39;autre dans un double mécanisme de libération. Libérer l&#39;ensemble supérieure un temps de t avant les résultats d&#39;un plus bas à une vitesse relative de v = gt, avec g = 9,81 m / s 2 étant l&#39;accélération gravitationnelle de la Terre. Les deux caméras à haute vitesse, qui considèrent la collision de deux directions 90 ° dehors, sont généralement libérés entre les deux agrégats de poussière (typiquement t / 2 après la particule supérieure). Les appareils fonctionnent en mode continu d&#39;enregistrement, qui est terminé par l&#39;impact de la caméraporteurs en seaux de sable. La vitesse maximale dans ce mode de fonctionnement est de 1000 images par seconde en résolution mégapixels. Avec cette configuration, les vitesses en dessous de 0,01 m / s ont été atteints. En raison des limites de la configuration mécanique du mécanisme de libération double, la vitesse maximale de collision relative est ~ 3 m / sec. Les collisions impliquant des agrégats de poussière avec un maximum de 5 cm de diamètre ont été étudiés dans ce tour de chute. Pour des vitesses plus élevées de collision jusqu&#39;à environ 10 m / sec, un second tour de chute est utilisée, qui est équipé d&#39;un accélérateur électromagnétique qui est capable d&#39;accélérer facilement la poussière agrégats jusqu&#39;à 5 m / sec dans une direction verticale vers le haut. L&#39;autre agrégat de poussière est tenu par une trappe mécanisme de libération à double aile et peut être libéré sans rotation en chute libre à un moment donné. Ici, cela n&#39;a pas de sens d&#39;utiliser des caméras en chute libre. Nous utilisons plutôt deux caméras haute vitesse fixes avec jusqu&#39;à 7500 images par seconde et une résolution mégapixel. En raison de la plus grande diameter de cette tour de chute, la poussière agrégats jusqu&#39;à (et éventuellement au-dessus) de 10 cm de taille peuvent être utilisés.

<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

Aux fins de l&#39;enquête sur l&#39;évolution des agrégats de poussière dans le système solaire tôt, nous avons développé deux tours de chute de vide dans lequel les agrégats de poussière fragiles avec des tailles allant jusqu&#39;à ~ 10 cm et porosités jusqu&#39;à 70% peuvent être entrés en collision. Une des tours d&#39;abandon est principalement utilisé pour des vitesses très faible impact en dessous de 0,01 m / s et fait usage d&#39;un double mécanisme de libération. Les collisions sont enregistrés en stéréo-vue par deux caméras à grande vitesse, qui tombent le long du tube en verre sous vide dans le cadre des deux agrégats de poussière centre de masse. L&#39;autre Tour de chute libre rend l&#39;utilisation d&#39;un accélérateur électromagnétique qui est capable d&#39;accélérer doucement agrégats de poussières à un maximum de 5 m / sec. En combinaison avec la sortie d&#39;un autre agrégat de poussière à la chute libre, la collision des vitesses allant jusqu&#39;à ~ 10 m / s peut être atteint. Ici, deux caméras haute vitesse fixe enregistrent les événements de collision. Dans les deux tours d&#39;abandon, les agrégats de poussières sont en chute libre au cours de la collision de sorte qu&#39;ils sont en état d&#39;apesanteur et correspondent à l&#39;conditions dans le système solaire primitif.

En utilisant les échantillons de poussière total bien caractérisées décrites dans le protocole (voir les figures 1-3), une collision observée dans l&#39;une des tours d&#39;abandon de laboratoire donnera des informations scientifiquement valable sur les résultats de collisions similaires dans les disques protoplanétaires. Jusqu&#39;ici, nous avons étudié de façon systématique les résultats de collision de 2 cm dimensionnés agrégats de poussières sphériques (avec un volume de facteurs de 0,5 remplissage) dans la plage de vitesse comprise entre 0,008 et 2,02 m / s 13 et de 5 cm de taille des agrégats de poussières cylindriques (avec un volume facteurs de remplissage entre 0,3 et 0,5) dans la plage de vitesse comprise entre 0,004 et 2 m / s 12. Nous avons trouvé rebondir entre les agrégats de poussière que le résultat dominant pour les vitesses inférieures à ~ 0,4 m / s pour les deux types d&#39;agrégats de poussière (voir film 6 pour un exemple). Sur la figure 4, le coefficient de restitution de ces collisions rebondissement est signalée. Les cercles indiquent les expériences avec 2échantillons sphériques de taille cm 13 et les triangles représentent les résultats des collisions entre 5 cm cylindres de poussière de taille avec deux emballage différentes densités 12. Bien que les coefficients de restitution des expériences individuelles se dispersent largement, la valeur moyenne du coefficient de restitution diminue avec l&#39;augmentation de la vitesse de collision. Les agrégats de poussière fragmentent généralement lors de l&#39;impact pour des vitesses supérieures à ~ 1 m / s (voir Film 7 pour un exemple). Pour des vitesses comprises entre 0,4 et ~ ~ 1 m / sec, la fragmentation d&#39;un seul des deux agrégats de poussières entrant en collision peut se produire. Dans ce cas, l&#39;ensemble de la poussière non-fragmentation gagne quelques pour cent de la masse par transfert de masse 13. Les limites de vitesse mentionnés ci-dessus ne sont pas nettes, mais représentent environ où les frontières entre les différents régimes se situent 2,11. Pour les collisions entre les agrégats de poussière de différentes tailles et vitesses modérées, les impacts ne seront généralement pas conduire t<html> o la fragmentation de la plus grande des deux agrégats de poussières. A l&#39;inverse, les plus grands corps augmentent leur masse par transfert d&#39;une partie de la masse des petits percuteurs (voir Film 8). Pour les cas dans lesquels les deux agrégats de poussières rebondissent sur une autre, le transfert de l&#39;énergie cinétique de translation avant la collision (noter que les agrégats de poussières ne tournent pas avant la collision) en énergie de translation cinétique, l&#39;énergie cinétique de rotation, et l&#39;autre ( dissipative) les canaux d&#39;énergie (par exemple, de compactage des agrégats de poussières) peuvent être déterminées. Nous avons constaté que pour les collisions centrales (dans laquelle l&#39;énergie de rotation peut être négligé) la quantité relative d&#39;énergie dissipée augmente fortement avec l&#39;augmentation de la vitesse et est plus élevé pour les volumes inférieurs des facteurs de remplissage de la poussière agrégats 12. Ce comportement peut être modélisé par simulations de dynamique moléculaire 12. TTP :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Film 1. vidéo haut débit (joué au ralenti) de la particule-sur-un-chaîne ( haut) et le mécanisme de libération trappe (en bas). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mold_cluster_cluster.MP4" target="_blank">Movie 2</a> . vidéo haut débit (joué au ralenti) du mécanisme de double trappe de presse. Les deux échantillons sont des touffes de Al 2 O 3 particules de 2 mm de diamètre, qui restent confinés pendant la chute libre en raison de la très faible perturbation lors de la libération. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/scissor.MP4" target="_blank">Movie 3</a> . vidéo haut débit (joué au ralenti) du type de ciseaux double mécanisme de libération. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/dw-trapdoor.MP4" target="_blank">Film</a>4. Séquence vidéo haute vitesse (joué au ralenti) de la trappe mécanisme de libération à double aile. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/trigger.wmv" target="_blank">Film 5</a> . Animations de l&#39;électronique de temporisation de commutation du mécanisme supérieur et inférieur de presse ainsi que l&#39;appareil photo de presse de la chute libre. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/9ms_2.MP4" target="_blank">Film 6</a> . vidéo haut débit (joué au ralenti) d&#39;une collision rebondir entre deux cylindres de poussière total de 5 cm de taille. Les deux agrégats de poussière sont libérées par le type de ciseaux double mécanisme de libération et entrent en collision avec 0,09 vitesse m / sec. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/fragmentation.MP4" target="_blank">Film 7</a> . vidéo haut débit (joué au ralenti) de deux agrégats de poussière cylindriques 2 cm-taille colliding à une vitesse relative de 7,4 m / sec. Les deux agrégats se fragmentent complètement. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mass-transfer.MP4" target="_blank">Film 8</a> . vidéo haut débit (joué au ralenti) d&#39;un agrégat 5 mm taille poussière heurte une cible solide cylindrique de 5 cm-taille. Comme la vitesse de 4,3 m / sec impact est supérieure à la vitesse de fragmentation du petit agrégat de poussière, ce se brise et transfère une partie de sa masse de la cible, ce qui est clairement visible dans le film. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/tracking_new.mov" target="_blank">Film 9</a> . Détermination des trajectoires des particules par un algorithme semi-automatique de particules suivi. Ici, la collision entre deux deux agrégats de poussière sphériques cm de taille est indiquée.

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

Nous présentons une technique pour obtenir à faible vitesse de collisions intermédiaire vitesse entre les agrégats de poussière fragiles dans le laboratoire. A cet effet, deux configurations goutte-tour à vide ont été mis au point qui permettent des vitesses de collision entre &lt;0,01 et ~ 10 m / sec. Les événements de collision sont enregistrées par imagerie à grande vitesse.

Laboratoire baisse Towers pour la simulation expérimentale de collisions poussière globales dans le système solaire précoce

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

12.7K vues.  Technische Universität Braunschweig.  Nous présentons une technique pour obtenir à faible vitesse de collisions intermédiaire vitesse entre les agrégats de poussière fragiles dans le laboratoire. A cet effet, deux configurations goutte-tour à vide ont été mis au point qui permettent des vitesses de collision entre 

Vidéo: 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.

La récolte de l&#39;énergie solaire au moyen de nanocristaux de charge de séparation des solides et de leurs

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

Recherche

Ingénierie

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 de la différenciation planétaire Intérieur processus dans le laboratoire

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 ...

Using Neutron Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering to Investigate Organic Solar Cell Materials

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped crystallites. Neutrons are passed through two well defined regions of magnetic field; one before and one after the sample. The two magnetic field regions have opposite polarity and are tuned such that neutrons travelling through both regions, without being perturbed, will undergo the same number of precessions in opposing directions. In this case the neutron precession in the second arm is said to &#34;echo&#34; the first, and the original polarization of the beam is preserved. If the neutron interacts with a sample and scatters elastically the path through the second arm is not the same as the first and the original polarization is not recovered. Depolarization of the neutron beam is a highly sensitive probe at very small angles (&#60;50&#160;&#956;rad) but still allows a high intensity, divergent beam to be used. The decrease in polarization of the beam reflected from the sample as compared to that from the reference sample can be directly related to structure within the sample.
In comparison to scattering observed in neutron reflection measurements the SERGIS signals are often weak and are unlikely to be observed if the in-plane structures within the sample under investigation are dilute, disordered, small in size and polydisperse or the neutron scattering contrast is low. Therefore, good results will most likely be obtained using the SERGIS technique if the sample being measured consist of thin films on a flat substrate and contain scattering features that contains a high density of moderately sized features (30 nm to 5 &#181;m) which scatter neutrons strongly or the features are arranged on a lattice. An advantage of the SERGIS technique is that it can probe structures in the plane of the sample.

Progress has been made in utilizing spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) as a neutron scattering technique to probe the length-scales in irregular samples. Crystallites of [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester have been probed using the SERGIS technique and the results confirmed by optical and atomic force microscopy.

Utilisation de la diffusion de l’incidence de broutage résolue par écho de spin neutronique pour étudier les matériaux des cellules solaires organiques

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped ...

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.

Imagerie rapide technique permettant d&#39;étudier l&#39;impact de baisse de la dynamique des fluides non-newtoniens

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.

L&#39;intégration d&#39;un système Annihilation Up-conversion triplet triplet visant à accroître à colorant cellule solaire réponse au sous-bande interdite Lumière

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.

Méthode ambiante pour la production d&#39;un ionique Gated nanotubes de carbone cathode commune dans les cellules solaires organiques Tandem

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.

Monovalents Cation dopage du CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PbI<sub&gt; 3</sub&gt; Pour Efficient cellules solaires 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.

Electrospinification d&#39;électrodes photocatalytiques pour cellules solaires sensibilisées aux colorants

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 Suivi de la dégradation de Performance accélérée des cellules et Modules solaires : une étude de cas pour les cellules solaires de Cu (In, Ga) Se2

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.

Intérieur évaluation expérimentale de l’efficacité et l’Irradiance Spot du Doublet achromatique sur verre (ADG) lentille de Fresnel pour concentrer l’énergie photovoltaïque