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.

בשל הדיוק המכני הגבוה, שיעור הכישלון של שני מגדלי הירידה הוא נמוך ביותר. זה הוא בעל חשיבות עליונה, כי הכנת המדגם עשויה להימשך עד מספר שעות, תלוי בגודל, צורה ונקבובית של אגרגטים אבק הרצויים. יש לציין כי אגרגטים אבק גדולים עם porosities גבוה מאוד הם שבירים מאוד, ולכן קשה להתמודד. זה עלול להתרחש כי אגרגטים אבק אלה לשבור במהלך חילוץ מהעובש או ההעברה למגדל הטיפה. במקרים אלה, מדגם חדש צריך להיות מוכן. לפיכך, חשוב שמגדל הטיפה הקטן מאפשר מהירויות התנגשות אמינות (וצפויות) עד 0.01 מ &#39;/ השני 11,13. מהירות ההשפעה הנמוכה ביותר שהושגה עד כה הייתה 0.004 מ &#39;/ שנייה. ניתן להגיע למהירויות השפעה קטנות אלה רק עבור חלקיקים חופשיים בתנאי כבידה זעיר. מגדל טיפת המעבדה הוא מימוש זול ותכליתי של מתקן כזה כבידה. משתניש שיטות להשגת מהירויות השפעה נמוכות עושות שימוש בטכניקות ריחוף 14,15 (למשל על ידי ריחוף אלקטרומגנטית או אווירודינמי) אבל בדרך כלל לגרום לכוח בין החלקיקים מתנגשים, אשר יש לקחת בחשבון בניתוח של ההתנגשויות. יתר על כן, לעתים קרובות גורם לריחוף תנועה סיבובית 14, אשר, אם לא רצוי, לא מאפשרת התנגשויות ללא רוטציה, אבל, מצד שני, אולי אפילו לאפשר סימולציות מציאותיות של התנגשויות בין חלקיקים מסתובבים. במקרה של ריחוף אווירודינמי, אפקטי כרית האוויר במהלך ההתנגשות עלולים לגרום לתנאים לא רצויים שאינו תואמים את אלה בדיסקי protoplanetary. עם זאת, ריחוף מאפשר לזמן תצפית בלתי מוגבל וניסויים לשחזור, כך שיש לו כדי להיחשב חלופה למגדל הטיפה אם הגבלת הזמן היא חיונית. כל המאמצים שלנו עד כה התרכזו בSiO 2 כנציג של סיליקטים בr היווצרות היבשתי-כדור הארץegion של מערכות שמש צעירות. כפי שרוב המסה של דיסקי protoplanetary מרוכז מעבר לנקודה של קרח מים העיבוי, זה חיוני גם כדי ללמוד את התנגשות ההתנהגות של אגרגטים בהיקף של 2 O-קרח הדגנים H מיקרומטר בגודל. בימים אלה אנו מקימים מגדל טיפת cryo-ואקום למטרה זו. יש לציין, כי הטמפרטורות בניסויי סימולציה כזו חייבת להיות מתחת ~ 150 K, המהווה את הטמפרטורה של מה שנקרא &quot;קו השלג&quot; בדיסקי protoplanetary (&quot;קו השלג&quot; מחלק האזורים הפנימיים שבו מים הוא באדים שלב מהאזורים החיצוניים שבו הוא נמצא כקרח מים מוצק). הראנו כי היווצרות קרח המים חלקיקי מיקרומטר בגודל אינה ריאלי וכי אגרגטים ניתן לייצר 16 כך שאנחנו אופטימיים יש תוצאות הראשונות על התנגשות ההתנהגות שלהם בתוך 1-2 השנים הבאות.

הדעה מקובלת היא שההיווצרות כוכבית לכת מתחילה עם ההצטברות הלא הכבידה של גרגירי אבק קטנים מיקרוסקופי לתוך אגרגטים אבק גדולים יותר (ראה סקירה על ידי בלום וורם) 1. חלקיקי האבק מתנגשים בתוך דיסקי protoplanetary בשל תנועה הבראונית, תנועות סחיפה היחסית, ומערבולת של הגז הערפילי (ראה סקירה על ידי יוהנסן ואח&#39;.) 2. אם מהירויות ההתנגשות הן נמוכות מספיק, חלקיקי אבק המקל יחד כדי ליצור agglomerates הגדול יותר. שפע של מדידות במעבדה בשנים האחרונות הוביל למודל התנגשות אבק מצטבר שמנבא את התוצאה של זוג אגרגטים אבק עם המונים שרירותיים ומהירויות התנגשות 3. תוצאות collisional הבסיסיות דבקות (באופן כללי להמונים המצרפי קטנים ומהירויות התנגשות נמוכות), מקפצים, ופיצול (למהירויות גבוהות השפעה). עם זאת, המעברים בין השלבים אלה אינם חדים ויש אחריםתוצאות, כמו, למשל העברת מסה או שחיקה. החלת מודל זה לדיסק protoplanetary טיפוסי צופה הצמיחה של אגרגטים אבק סנטימטר בגודל תוך כמה אלף שנים 4. הנוכחות של אגרגטים אבק סנטימטר בגודל נחקרה בהרחבה על ידי תצפיות אסטרונומיות בשנים האחרונות ועכשיו יכולה להיחשב כפי שנקבעה (ראה סקירה על ידי טסטי et al.) 5, כך שאנו מגיעים למסקנה כי מנגנון העיקרון לפיו גוף מאקרוסקופי הראשון במערכות שמש צעירות טופס זוהה. עם זאת, הצמיחה נוספת לגופם של לפחות גדלי קילומטר היא לא כל כך ברורה. לאזור היבשתי, כדור הארץ, שתי השערות נדונות כיום (ראה גם הסקירות האחרונות בנושא זה על ידי יוהנסן ואח&#39; 2 וטסטי ואח&#39; 5..): הריכוז (i) של מצרפי אבק ס&quot;מ בגודל על ידי, לדוגמא חוסר יציבות הזרמת 6 וGravit הבאקריסת ational 7,8 וכן (ii) צמיחה של כמה &quot;זוכים מאושרים&quot; לגדלים גדולים יותר עם ​​הצטברות המונית לאחר מכן על ידי תהליך ההעברה המוני 9,10,11. בשני המודלים, אגרגטים אבק סנטימטר בגודל לעבור מספר עצום של התנגשויות הדדיות במהירויות נמוכות לבינוניות. לא ברור מה התוצאות אפשריות של התנגשויות אלה (מלבד הקפצה) הן. כדי לשפר את מודל התנגשות האבק מצטבר על ידי Güttler et al. 3 ולחקור בפירוט רב יותר התנגשויות בין אגרגטים אבק מקרוסקופית במשטרים מהירות הרלוונטיים, הקמנו שני מגדלי ירידה במעבדה שלנו, שבו התנגשויות המצרפי-המצרפי אדם יכולים יילמד בפירוט רב בתנאי ואקום וביד. שני מגדלי הירידה ברשות גובה נפילה חופשית של 1.5 מ &#39;, אשר מגביל את זמן תצפית ל~ שניות 0.5. לפיכך, אנו צופים התנגשויות על ידי מצלמות במהירות גבוהה עם פורמט מגה פיקסל ועד 7,500 פריימים לשניה.לניגוד מרבי ומהירויות הקלטה גבוהות, תאורה בהירה שדה נבחרה. תאורה מסופקת ובכך על ידי פנלי LED בעוצמה גבוהה והומוגני ידי מסכי מפזר. לפיכך, מצלמות מהירות גבוהה להציג את האבק מתנגש אגרגטים אובייקטים כהים כמו מול מסך מואר. כדי להימנע מהבהובים, הנוריות DC מופעל. כדי להשיג מהירויות התנגשות נמוכות, שני אגרגטים האבק ממוקמים מעל אחד אחר במנגנון שחרור כפול. שחרור הצבירה העליונה זמן של t לפני אחד התוצאות נמוכות יותר במהירות היחסית של v = GT, עם G = 9.81 מ &#39;/ שנייה 2 להיות תאוצת הכבידה של כדור הארץ. שתי מצלמות במהירות גבוהה, אשר רואות בהתנגשות משני כיוונים 90 מלבד °, משתחררות בבדרך כלל בין שני אגרגטים האבק (בדרך כלל t / 2 אחרי החלקיק העליון). המצלמות תפעלנה במצב רציף הקלטה, שהוא הופסק על ידי ההשפעה של המצלמההמחזיקים לתוך דליי חול. במסגרת השיעור המרבית במצב תפעולי זה הוא 1,000 תמונות בשניה ברזולוציה של מגה פיקסל. עם ההגדרה הזאת, מהירויות עד מתחת 0.01 מ &#39;/ שנייה היה להשיג. בשל מגבלות של ההתקנה מכאנית של מנגנון השחרור הכפול, מהירות ההתנגשות היחסית המרבית היא ~ 3 מ &#39;/ שנייה. התנגשויות מעורבים אגרגטים אבק עם עד 5 ס&quot;מ בגודל נחקרו במגדל ירידה זו. עבור מהירויות התנגשות גבוהות יותר עד ~ 10 מ &#39;/ שנייה, מגדל טיפה שני משמש, אשר מצויד במאיץ אלקטרומגנטית כי הוא מסוגל להאיץ בצורה חלקה אבק מצרפים של עד 5 מ&#39; / שנייה בכיוון מעלה אנכי. הצבירה האבק אחרת מוחזקת על ידי מנגנון שחרור מלכודת דלת כפולה כנף ויכולה להשתחרר ללא רוטציה לצניחה חופשית בכל זמן נתון. כאן, זה לא הגיוני להשתמש במצלמות של צניחה חופשיות. אנחנו מעדיפים להשתמש בשתי מצלמות נייחות במהירות גבוהה של עד 7,500 פריימים לשניה ברזולוציה מגה פיקסל. בשל diamet הגדול יותראה של מגדל ירידה זו, אבק צובר עד (ואולי גם לעיל) יכול לשמש 10 ס&quot;מ בגודל.

<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

לצורך חקירת האבולוציה של אגרגטים אבק במערכת השמש המוקדמת, פיתחנו שני מגדלי טיפת ואקום שבו אגרגטים אבק שבריריים עם גדלים של עד ~ ניתן התנגשו 10 סנטימטר וporosities עד 70%. אחד מגדלי הטיפה משמש בעיקר למהירויות השפעה נמוכות מאוד עד מתחת 0.01 מ &#39;/ שנייה ועושה שימוש במנגנון שחרור כפול. התנגשויות נרשמות בסטריאו תצוגה על ידי שתי מצלמות במהירות גבוהה, אשר נופלות לאורך צינור ואקום זכוכית במסגרת המרכז של המסה של שני מצרפי האבק. מגדל הנפילה חופשית האחר עושה שימוש במאיץ האלקטרומגנטי, כי הוא מסוגל בעדינות האצת אגרגטים אבק לעד 5 מ &#39;/ שנייה. בשילוב עם שחרורו של צבירה אבק אחרת לנפילה חופשית, התנגשות במהירויות של עד ~ 10 מ &#39;/ שנייה יכול להיות מושגת. הנה, שתי מצלמות קבועות במהירות גבוהה להקליט את אירועי ההתנגשות. בשני מגדלי הטיפה, אגרגטים האבק נמצאים בנפילה חופשית בזמן ההתנגשות, כך שהם חסרי משקל ולהתאים אתתנאים במערכת השמש המוקדמת.

שימוש בדגימות האבק מצטבר מאופיינות היטב שתוארו בפרוטוקול (ראה איורים 1-3), כל התנגשות נצפתה באחד ממגדלי טיפת המעבדה תניב מידע מדעי רב ערך על תוצאותיהן של התנגשויות דומות בדיסקי protoplanetary. יש לנו עד כה באופן שיטתי חקרנו את תוצאות ההתנגשות של 2 ס&quot;מ בגודל אגרגטים אבק כדוריים (עם נפח מילוי של גורמי 0.5) בטווח המהירות בין 0.008 ו2.02 מ &#39;/ שנייה 13 ושל 5 סנטימטר אגרגטים אבק גליליים בגודל (עם נפח מילוי גורמים בין 0.3 ו0.5) בטווח המהירות בין 0.004 ו2 מ &#39;/ שנייה 12. מצאנו מקפץ בין אגרגטים האבק כתוצאה הבולט עבור מהירויות מתחת ~ 0.4 מ &#39;/ שנייה עבור שני הסוגים של אגרגטים אבק (ראה סרט 6 לדוגמא). באיור 4, המקדם של השבת ההתנגשויות המקפצות האלה מוצג. העיגולים מציינים את הניסויים עם 2דגימות סנטימטר בגודל כדוריות 13 ומשולשים מייצגים תוצאות מהתנגשויות בין 5 סנטימטר צילינדרי אבק בגודל עם שתי אריזות שונות צפיפויות 12. למרות שהמקדמים של השבת של ניסויים בודדים מתפזרים באופן נרחב, הערך הממוצע של מקדם השבת יורד עם מהירות התנגשות גוברת. שני אגרגטים האבק בדרך כלל לפצל בעת פגיעה למהירויות מעל ~ 1 מ &#39;/ שנייה (ראה סרט 7 לדוגמא). עבור מהירויות בין ~ 0.4 ו ~ 1 מ &#39;/ שנייה, פיצול של רק אחד משני מצרפי האבק מתנגשים יכול להתרחש. במקרה זה, הצבירה האבק שאינו הפיצול זוכה כמה אחוזים מהמסה באמצעות העברה המונית 13. גבולות המהירות הנ&quot;ל אינם חדים אלא נסמן כ בו הגבולות בין המשטרים השונים לשקר 2,11. להתנגשויות בין אגרגטים אבק בגדלים שונים ובמהירויות מתונות, משפיע בדרך כלל לא יוביל t<html> o הפיצול הגדול יותר של שני מצרפי האבק. על ההפך, הגופים גדולים יותר להגדיל את המסה שלהם על ידי העברת חלק מהמסה של אימפקטורים הקטנים יותר (ראה סרט 8). למקרים, שבו שני אגרגטים האבק להקפיץ את אחד את השני, ההעברה מהאנרגיה הקינטית translational לפני ההתנגשות (אכפת שאגרגטים האבק לא לסובב לפני ההתנגשות) לאנרגיה קינטית translational, אנרגיה הקינטית סיבובית, ואחרים ( מפזר) ערוצי אנרגיה (למשל דחיסה של אגרגטים האבק) ניתן לקבוע. מצאנו כי להתנגשויות מרכזיות (שבו יכולה להיות מוזנחת האנרגיה הסיבובית) את הכמות היחסית של אנרגיה התפוגגה מאוד עולה עם מהירות גוברת, והוא גבוה יותר לגורמי מילוי נפח נמוכים יותר של אבק אגרגטים 12. התנהגות זו יכולה להיות מודל על ידי סימולציות מולקולרית דינמיקה 12. ttps :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; סרט 1. סרט מהיר (שיחק בחזרה בהילוך איטי) של (חלקיק-on-a-מחרוזת למעלה) ומנגנון מלכודת דלת שחרור (תחתון). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mold_cluster_cluster.MP4" target="_blank">סרט 2.</a> סרט מהיר (שיחק בחזרה בהילוך איטי) של מנגנון שחרור מלכודת דלת הכפול. שני דוגמאות הן גושים של Al 2 O 3 חלקיקים של 2 מ&quot;מ קוטר, שיישארו מוגבל בזמן נפילה חופשית עקב ההפרעה הנמוכה מאוד במהלך שחרור. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/scissor.MP4" target="_blank">סרט 3.</a> סרט מהיר (שיחק בחזרה בהילוך איטי) של מנגנון שחרור כפול מספריים מהסוג. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/dw-trapdoor.MP4" target="_blank">סרט</a>4. סרט מהיר (שיחק בחזרה בהילוך איטי) של מנגנון שחרור מלכודת הדלת הכפולה כנף. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/trigger.wmv" target="_blank">סרט 5.</a> אנימציה של האלקטרוניקה טיימר מיתוג מנגנון השחרור העליון ותחתון, כמו גם את שחרור המצלמה לנפילה חופשית. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/9ms_2.MP4" target="_blank">סרט 6.</a> סרט מהיר (שיחק בחזרה בהילוך איטי) של התנגשות מקפצת בין שני 5 צילינדרי אבק מצטבר סנטימטר בגודל. שני אגרגטים האבק שפורסמו על ידי מנגנון שחרור כפול מספריים מהסוג ומתנגשים עם 0.09 מהירות מ &#39;/ שנייה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/fragmentation.MP4" target="_blank">סרט 7.</a> סרט מהיר (שיחק בחזרה בהילוך איטי) של שני 2 ס&quot;מ בגודל אגרגטים אבק גליליים colliding במהירות יחסי של 7.4 מ &#39;/ שנייה. שני אגרגטים לפצל לחלוטין. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mass-transfer.MP4" target="_blank">סרט 8.</a> סרט מהיר (שיחק בחזרה בהילוך איטי) של צבירה 5 אבק מ&quot;מ בגודל משפיעה יעד מוצק גלילי 5 ס&quot;מ בגודל. כמו מהירות ההשפעה של 4.3 מ &#39;/ שנייה היא מעל מהירות הפיצול של הצבירה האבק הקטנה, זה מתפרק ומעביר חלק מהמסה שלו ליעד, שנראה בבירור בסרט. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/tracking_new.mov" target="_blank">סרט 9.</a> קביעת מסלולי חלקיקים על ידי אלגוריתם חלקיקי מעקב אוטומטי למחצה. הנה, את ההתנגשות בין שני 2 אגרגטים אבק כדוריים סנטימטר בגודל מוצגת.

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

אנו מציגים טכניקה כדי להשיג מהירות נמוכה לבינונית מהירות התנגשויות בין אגרגטים אבק שבירים במעבדה. לצורך כך, שני setups ירידת מגדל הוואקום פותחו המאפשרים מהירויות התנגשות בין &lt;0.01 ו~ 10 מ &#39;/ שנייה. אירועי ההתנגשות שנרשמו על ידי הדמיה במהירות גבוהה.

מעבדה בגלילה מגדלים לסימולציה הניסויית של התנגשויות אבק-המצרפי במערכת השמש המוקדמת

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

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

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Kinetics of a Particle: Impulse and Momentum

SCIENTISTS IN ACTION

12.6K Views.  Technische Universität Braunschweig.  אנו מציגים טכניקה כדי להשיג מהירות נמוכה לבינונית מהירות התנגשויות בין אגרגטים אבק שבירים במעבדה. לצורך כך, שני setups ירידת מגדל הוואקום פותחו המאפשרים מהירויות התנגשות בין 

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

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

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

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

קצירת אנרגיה סולארית באמצעות תשלום פרדת Nanocrystals והמוצק שלהם

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

Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory

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

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

סימולציה של פלנטריים הפנים בידול תהליכים במעבדה

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.

טכניקת הדמיה מהירה ללמוד טיפת השפעת דינמיקה של נוזלים ללא הניוטונית

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.

שילוב מערכת Up-המרת שלישיית שלישיית השמדה כדי לשפר רגיש-Dye תגובת תאי שמש לאור תת bandgap

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.

שיטת אמביינט לייצור ionically המגודר פחמן Nanotube הנפוץ קטודה בתאים סולריים האורגנית טנדם

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.

חד ערכי חילוף קטיונים סימום של CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; עבור תאים סולריים יעילים 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.

Electropinning של אלקטרודות photatalalytic עבור תאים סולריים רגישים צבען

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.

בחיי עיר פיקוח על הפגיעה בביצועים מואצת של תאים סולריים מודולים: חקר מקרה של תאים סולריים2 Se Cu (ב, Ga)

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

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

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

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

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

הערכת ניסיוני מקורה של יעילות, Irradiance שתאכלו כפיל אכרומטי על זכוכית (ADG) עדשת פרנל ריכוז Photovoltaics

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

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

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

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

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

התהליך הניסיוני במחקרי מעבדה של בחיי עיר בוער: דליקות והיעילות צריבה של נפט גולמי

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