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;.

ATTENZIONE: a seconda della pericolosità delle particelle utilizzate, che possono essere trovati nei corrispondenti schede di sicurezza, di protezione della bocca e gli attrezzi di sicurezza devono essere indossati dalla persona che lavora con la polvere. Si raccomanda inoltre di utilizzare un sistema di aspirazione per mantenere l&#39;aria di polvere libera ambiente. 1. Preparazione di cm dimensioni Dust aggregate Campioni <ol><li> Calcolare la quantità di materiale necessario per m = Φ ρ 0 V, dove m è la massa richiesta, Φ è il fattore di riempimento del volume desiderato (volume di riempimento fattore = 1 - porosità), ρ 0 è la densità del materiale, e V è il volume del campione. 77 g di polvere irregolare silicato (ρ 0 = 2.6 g / cm 3) è necessaria per ottenere un campione porosità del 70% (fattore di volume di riempimento = 0,3) per un campione cilindrico 5 cm di diametro ed altezza, rispettivamente. Nota: Formazione di pla terrestreReti inizia con la coagulazione di dimensioni micrometriche grani di polvere - prevalentemente composti da silicati - in corpi porosi cm dimensioni. Un materiale analogo da laboratorio ben studiato e adatto è SiO 2, che è disponibile come polvere di forma irregolare con una distribuzione di dimensione compresa tra 0,5 e 10 micron e in forma di granuli sferici monodisperse per una migliore comparabilità a modelli teorici (vedi Tabella 1 e Figura 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-monomero tipo di grano </td><td style="width:96px;"> Fabbricante </td><td style="width:119px;"> Diametro particellare </td><td style="width:95px;"> Forma delle particelle </td><td style="width:100px;"> Esempio di figura </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> Sferico </td><td> Figura 1 (a sinistra) </td></tr><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;"> Polidisperso </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 0,1-10 micron </td><td> Irregolare </td><td> Figura 1 (a destra) </td></tr></tbody></table> Tabella 1. Caratteristiche delle SiO 2 particelle utilizzati negli esperimenti di collisione polvere aggregato. <img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" width="500" /> Immagini di Figura 1. Microscopia elettronica del monodispersa (a sinistra) e polydisperse (a destra) SiO 2 particelle utilizzate per la produzione di aggregati macroscopici di polvere. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <olstart = &quot;2&quot;&gt; <li> Prendete un contenitore con dimensioni micrometriche SiO 2 particelle (cfr. tabella 1) e versare il suo contenuto su un setaccio a maglie di 0,5 mm. Setacciare una quantità sufficiente di materiale e riempire la massa calcolata nello stampo. Comprimere il materiale nello stampo spingendo in un pistone a mano fino a raggiungere l&#39;altezza del campione (ad esempio, 5 cm). Giratevi lo stampo sul pistone, aprire la piastra di base e spingere delicatamente il campione fuori. Nota: I campioni possono essere prodotti in varie forme (sferici e cilindrici), dimensioni (1 mm a 10 cm) e porosità (da 60 a 85%) (vedere la Figura 3). I campioni possono essere utilizzati singolarmente negli esperimenti di collisione o combinati in cluster, che poi si scontrano con altri aggregati o cluster. </li></ol><img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> Figura 2. Fotografico. la variazione di dimensioni e forme del campione di polvere di aggregazione sono riportati i seguenti esempi: cilindri di polvere con 1 cm, 2 cm, e 5 cm di diametro (fila), sfere di polvere con 1 cm e 2 cm di diametro (riga centrale), e 2-3 dimensioni mm-Al 2 O 3 sfere (anteriori). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" target="_blank">Cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <ol start="3"><li> Caratterizzare i campioni rispetto alla porosità e omogeneità. Se i campioni cadono al di fuori dei margini consentiti, produrre nuovi campioni. <ol><li> Per determinare la porosità del campione di polvere, determinarne il volume misurando le sue dimensioni e la sua massa mediante un preciso equilibrio. </li><li> Utilizzare tomografia a raggi X (XRT) 12 per ottenere informazioni sulla omogeneità e distribuzione dei pori di dimensioni del campione prodotta. Nota: Per i cinque centimetri-size aggregati di polvere, abbiamo trovato le deviazioni da riempire il volume medio di fattor, ossia il rapporto della densità di massa del campione e la densità del materiale delle particelle di monomero di polvere, di solo circa 1% entro il grosso del volume dei campioni e un po &#39;più grande aumento del fattore volume di riempimento fino a 8% verso delimitazioni esterne 12. Figura 3 mostra una ricostruzione XRT di un taglio attraverso un aggregato polvere cilindrica 5 cm di diametro e 5 cm di altezza. Non usiamo XRT per ciascun aggregato polvere, ma esaminiamo la struttura interna e l&#39;omogeneità dei campioni casuali. </li></ol></li></ol><img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> Figura 3. Ricostruzione della struttura interna di un campione di polvere di aggregazione cilindrica 5 cm Altezza e 5 cm di diametro dopo analisi XRT. La scala di grigi indica il fattore di riempimento del volume, che è il rapporto della densità di massa di tlui campione e la densità del materiale delle particelle di monomero-polvere. Dalla ricostruzione XRT, è chiaramente visibile che questo campione ad alta porosità è stato assemblato utilizzando aggregati di polvere di dimensioni mm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" target="_blank">Cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> 2. Principio della torre di caduta di installazione <ol><li> Meccanismi di rilascio: Nella parte superiore della torre di caduta due meccanismi di rilascio sono attaccati uno sopra l&#39;altro. Ognuno di loro tiene un campione e rilascia in caduta libera. La differenza di tempo fra il rilascio della tomaia e la particella inferiore determina la velocità relativa della collisione. Secondo la morfologia e la forma delle particelle, vengono scelti opportuni meccanismi di rilascio. Se viene utilizzato un meccanismo di accelerazione delle particelle, è richiesto un solo meccanismo di sgancio. <ol><li> Meccanismo di rilascio Particle-on-a-string (campioni sferici, uppparticella er): Questo meccanismo di rilascio è costituito da un magnete solenoide lineare e un solido banco pezzo di metallo. <ol><li> Fissare la particella per essere rilasciato in una stringa. Tenere la stringa in posizione fissando essa tra il magnete solenoide e il contatore pezzo di metallo solido. </li><li> Per rilasciare la particella, applicare una corrente elettrica al magnete solenoide (vedi film 1). </li></ol></li><li> Botola meccanismo di sgancio (campioni sferici, particella inferiore): Questo meccanismo di rilascio è costituito da un magnete solenoide rotante a cui un titolare particella è attaccato. <ol><li> Posizionare la particella in uno stampo semi-sferica, che viene ruotato verso il basso da un solenoide rotazionale quando una corrente elettrica viene applicata (vedi film 1). </li><li> Questo meccanismo può essere usato anche per il rilascio di nubi di particelle o grumi di aggregazione. In quest&#39;ultimo caso, montare due meccanismi di rilascio botola sovrapposte (vedi filmato 2). </li></ol&gt; </li><li> Meccanismo a forbice di tipo double rilascio (campioni cilindrici): Questo meccanismo di rilascio è costituito da due coppie di magneti rotanti elettrovalvole a cui è allegato un asta di metallo. I due magneti solenoidi di ogni meccanismo di rilascio sono posizionati in modo tale che le due aste metalliche sono parallele. <ol><li> Posizionare i due campioni sulle due aste parallele ciascuna. </li><li> Applicare una corrente elettrica ai due solenoidi rotazione per liberare le particelle in caduta libera. (Vedi Movie 3). </li></ol></li><li> Meccanismo a doppia ala rilascio botola (campioni cilindrici, in combinazione con il meccanismo di accelerazione delle particelle): Questo meccanismo di rilascio è costituito da due lastre di metallo a molla, che insieme formano un supporto di particelle a forma di v. Le due piastre metalliche sono tenuti in posizione da un&#39;asta metallica, che è attaccato ad un magnete solenoide rotante. <ol><li> Collocare il campione di polvere cilindrico sulla botola chiusa. </li><li> Sbloccare la botola applicandouna corrente elettrica al magnete solenoide. Per evitare il rimbalzo-back delle porte, freni a correnti parassite farli smettere (vedi filmato 4). Nota: È importante rilasciare le particelle in caduta libera senza velocità iniziale e la rotazione. A questo scopo sono stati sviluppati diversi meccanismi di rilascio (2.1.1 - 2.1.4). </li></ol></li></ol></li><li> Meccanismi di accelerazione di particelle: Accelera le particelle mediante una molla precaricata o da una fase lineare elettromagnetico guidato. Entrambi acceleratori possono essere dotati di porta-campioni per le particelle di forma diversa. </li> <li> Elettronica di controllo: Impostare il timer e rilasciare elettronica per i valori appropriati per raggiungere la velocità di collisione desiderato e utilizzare la fotocamera in una cornice di centro-di-massa. Nota: I tempi del rilascio di particelle, accelerazione delle particelle e attivazione della fotocamera viene eseguita da un insieme di timer elettronici, la cui funzionalità è spiegato in MOvie 5. </li></ol> 3. Esperimenti Performing <ol><li> Collisioni a bassa velocità (piccola torre di caduta): <ol><li> Caricare i campioni nel scissor-type doppio meccanismo di rilascio e vicino tubo di vetro sottovuoto. </li><li> Avviare evacuazione e impostare i parametri del timer. </li><li> Collegare le telecamere alle loro unità di rilascio magnetici. Avviare registrazione della videocamera continua. Nota: A causa dell&#39;elevata intensità dell&#39;illuminazione in campo chiaro LED, un tempo di esposizione sufficientemente breve della telecamera ad alta velocità può essere scelta in modo che il moto delle particelle durante l&#39;esposizione è trascurabile. In cima a quello, il diaframma dell&#39;obiettivo della telecamera deve essere impostato a valori abbastanza elevati per estendere la profondità di fuoco su tutta diametro della torre di caduta. </li><li> Quando si raggiunge la qualità del vuoto desiderato, accendere le luci, premere il pulsante di avvio e scaricare le sequenze di immagini. </li></ol></li><li> Collisioni ad alta velocità (grande torre di caduta): <ol><li> Caricare i campioni in doppio-wing botola meccanismo di rilascio e di acceleratore e chiudere il tubo di vetro sottovuoto. </li><li> Avviare evacuazione e impostare i parametri del timer. </li><li> Avviare registrazione della videocamera continua. Quando si raggiunge la qualità del vuoto desiderato, accendere le luci e premere il pulsante di avvio. Scarica le sequenze di immagini. Nota: A causa dell&#39;elevata intensità dell&#39;illuminazione in campo chiaro LED, un tempo di esposizione sufficientemente breve della telecamera ad alta velocità può essere scelta in modo che il moto delle particelle durante l&#39;esposizione è trascurabile. In cima a quello, il diaframma dell&#39;obiettivo della telecamera deve essere impostato a valori abbastanza elevati per estendere la profondità di fuoco su tutta diametro della torre di caduta. </li></ol></li></ol> 4. Esperimenti Esempio <ol><li> Caricare accuratamente i campioni nel meccanismo di sgancio appropriato. <ol><li> Collisioni a bassa velocità (meccanismo di doppia uscita, 0.09 m / sec): 5 cm vs 5 centimetri, che rimbalza. Caricare i campioni in due meccanismi di rilascio scissor-type. Araggiungere velocità di collisione di 0.09 m / sec, collocare il particelle di 7 millimetri a parte e impostare il tempo di ritardo dei meccanismi di rilascio a 9 msec. Nota: A questa velocità d&#39;impatto, i campioni di polvere rimbalzano a vicenda dopo la collisione. La sequenza di immagini viene catturata da una telecamera ad alta velocità in caduta libera (vedi filmato 6). </li> <li> Collisioni ad alta velocità (accelerazione elettromagnetica; 7.4 m / sec): 2 cm vs 2 centimetri, la frammentazione. Caricare un campione sul botola meccanismo di rilascio a doppia ala; posizionare l&#39;altro campione sul portacampioni dell&#39;acceleratore lineare stadi. Nota: Per raggiungere velocità di collisione di 7,4 m / sec, l&#39;aggregato polvere inferiore è uniformemente accelerato verso l&#39;alto con 2 g, mentre contemporaneamente l&#39;aggregato polvere Upper Falls. Ad una velocità relativa di 7,4 m / sec, il frammento campioni di polvere (vedi filmato 7). </li> <li> Collisione ad alta velocità di piccoli aggregati su grandi aggregati: 0,5 centimetri vs 5 cm, il trasferimento di massa. Caricare the ampio campione su un meccanismo a forbice tipo di rilascio; collocare il campione più piccolo sul portacampioni dell&#39;acceleratore molla. Nota: Per raggiungere velocità collisione richiesta per il trasferimento di massa, l&#39;aggregato polvere inferiore è uniformemente accelerato verso l&#39;alto, mentre contemporaneamente l&#39;aggregato polvere Upper Falls. A questa velocità relativa, i frammenti campione più piccola e trasferisce una piccola quantità di massa sul campione più grande. Come la fotocamera cade lungo il (più massiccia) particella superiore, le immagini riprese dalla telecamera ad alta velocità danno l&#39;impressione di una grande particella più o meno a riposo (vedi film 8), che non è vero come visto da fuori la torre di caduta. </li></ol></li><li> Chiudere il tubo di vetro sotto vuoto. </li><li> Aprire con cautela la valvola del vuoto alle pompe iniziare lento evacuazione e impostare i parametri del timer la differenza di tempo richiesto per la velocità di collisione desideri. </li><li> Collegare le telecamere alle loro unità di rilascio (se si utilizzano telecamere in caduta libera).Avviare registrazione della videocamera continua e accendere le luci. </li><li> Quando si raggiunge la qualità del vuoto desiderato, premere il pulsante di scatto per avviare la sequenza timer. </li><li> Scarica le sequenze di immagini registrate dalle telecamere ad alta velocità a un computer. </li></ol> 5. Analisi dei dati <ol><li> Ha scelto un valore di grigio soglia adeguata tra lo sfondo e il valore del grigio degli oggetti. Creare un&#39;immagine binaria basata su questa soglia impostando pixel con valori di grigio sopra la soglia al bianco (valore binario 1) e pixel con bassi valori di grigio a nero (valore binario 0). </li><li> Determinare la posizione del centro delle particelle di massa in ciascuna delle immagini. Una buona approssimazione per determinare il centro di massa per particelle simmetriche è il centro dell&#39;area proiettata. Questo viene calcolato dalle immagini binarizzate. </li><li> Utilizzare la posizione relativa dei centri di massa degli oggetti e le informazioni di tempo dalle immagini della telecamera per calcolare lavelocità relativa (vedi filmato 9). Le piste della curva di posizione vengono visualizzati sulla destra-mano-lato di Movie 9. <ol><li> In caso di collisione rimbalzo, determinare le velocità relative prima e dopo il contatto. Calcolare il coefficiente di restituzione, cioè il rapporto tra la velocità dopo l&#39;urto e prima. Tracciare la velocità relativa rispetto al coefficiente di restituzione. Un esempio di questa analisi è mostrato in Figura 4. </li></ol></li></ol><img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" width="500" /> Figura 4. Esempio dell&#39;analisi di rimbalzare collisioni. Il coefficiente di restituzione, cioè il rapporto tra la velocità di rimbalzo e la velocità d&#39;impatto, è un grafico in funzione della velocità di collisione. Cerchi mostrano i dati per aggregati di polveri sferiche di due centimetri diametroter 13 (vedere Figura 2), triangoli denotano collisioni tra gli aggregati di polvere cilindrici su 5 cm di diametro e 5 cm di altezza (vedi figura 2) e due diversi fattori di riempimento del volume di 0,3 e 0,4, rispettivamente 12. I dati mostrano un trend decrescente di coefficiente di restituzione, con velocità d&#39;impatto crescente. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <ol start="2"><li> Se una o entrambe le particelle frammento, determinare le dimensioni di come molti dei frammenti più grandi possibili, misurando le rispettive aree proiettate e assumendo forme appropriate. <ol><li> Se si verifica la frammentazione di una sola particella, di solito trasferisce una certa quantità della sua massa alla particella superstite. Determinare la quantità di massa trasferito misurando il volume maturato, assumendo una forma e porosità opportuno quantificare la massa-transfer efficienza. </li></ol></li></ol>

<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. 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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.

A causa della elevata precisione meccanica, il tasso di fallimento di entrambe le torri goccia è estremamente bassa. Questo è di estrema importanza, perché la preparazione del campione può richiedere fino a diverse ore, a seconda delle dimensioni, la forma e la porosità degli aggregati di polvere desiderati. Va ricordato che le grandi aggregati di polveri ad altissima porosità sono estremamente fragili e, quindi, difficile da maneggiare. Può accadere che questi aggregati di polvere si rompono durante l&#39;estrazione al largo della muffa o trasferimento alla torre di caduta. In questi casi, un nuovo campione deve essere preparato. Pertanto, è importante che la piccola torre di caduta permette affidabili (e prevedibili) velocità di collisione fino a 0,01 m / sec 11,13. La velocità di impatto più basso finora raggiunto è stato 0.004 m / sec. Queste piccole velocità di impatto possono essere raggiunte solo per particelle libere in un ambiente di microgravità. La torre di caduta laboratorio è una realizzazione economica e versatile di tale struttura microgravità. Alternative metodi per ottenere velocità di basso impatto fanno uso di tecniche di levitazione 14,15 (ad esempio mediante levitazione elettromagnetica o aerodinamica) ma generalmente indurre una forza tra le particelle collidenti, che deve essere preso in considerazione nell&#39;analisi delle collisioni. Inoltre, levitazione spesso induce moto di rotazione 14, che, se desiderato, non consente collisioni senza rotazione ma, d&#39;altra parte, potrebbe anche permettere simulazioni realistiche di collisioni tra particelle rotanti. In caso di levitazione aerodinamica, effetti a cuscino d&#39;aria durante la collisione possono indurre condizioni indesiderate che non corrispondono a quelli di dischi protoplanetari. Tuttavia, levitazione permette di tempo di osservazione illimitato e esperimenti ripetibili in modo che deve essere considerata un&#39;alternativa alla torre di caduta se la limitazione del tempo è essenziale. Tutti i nostri sforzi finora sono stati concentrati su SiO 2 come rappresentante dei silicati nel pianeta terrestre-formazione rEgion di giovani Sistemi Solari. Poiché la maggior parte della massa di dischi protoplanetari si concentra oltre il punto di condensazione di acqua ghiacciata, è essenziale studiare anche il comportamento collisione degli aggregati costituito da H 2 O grani-ghiaccio micron dimensioni. Attualmente stiamo allestendo una torre di caduta crio-vuoto per questo scopo. Si deve notare che le temperature in tali esperimenti di simulazione devono essere inferiori ~ 150 K, che è la temperatura della cosiddetta &quot;linea della neve&quot; in dischi protoplanetari (&quot;linea neve&quot; divide le regioni interne dove l&#39;acqua è nel vapore fase dalle regioni esterne dove è situato come il ghiaccio d&#39;acqua in). Abbiamo dimostrato che la formazione di particelle di acqua-ghiaccio micron dimensioni è fattibile e che gli aggregati di esso possono essere prodotti 16 in modo che noi siamo ottimisti di avere i primi risultati sul loro comportamento collisione entro i prossimi 1-2 anni.

E &#39;generalmente accettato che la formazione dei pianeti inizia con l&#39;accumulo non-gravitazionale di microscopici grani di polvere in grandi aggregati di polvere (vedi recensione da Blum &amp; Wurm) 1. Le particelle di polvere collidono all&#39;interno dei loro dischi protoplanetari dovuta al moto browniano, moti di deriva relativi, e la turbolenza del gas nebulare (vedi recensione da Johansen et al.) 2. Se le velocità di collisione sono sufficientemente bassi, le particelle di polvere stare insieme per formare agglomerati più grandi. Una ricchezza di misure di laboratorio negli ultimi anni hanno portato ad un modello di collisione polvere di aggregazione che predice l&#39;esito di una coppia di aggregati di polvere con masse arbitrarie e velocità di collisione 3. I risultati collisionali di base sono sporgenti (in generale per piccole masse aggregate e basse velocità di collisione), rimbalzando, e la frammentazione (per elevate velocità di impatto). Tuttavia, le transizioni tra queste fasi non sono taglienti e ci sono altririsultati, come, ad esempio, il trasferimento di massa o erosione. L&#39;applicazione di questo modello in un disco protoplanetario tipica prevede la crescita di cm dimensioni degli aggregati di polvere all&#39;interno di qualche migliaio di anni 4. La presenza di cm dimensioni degli aggregati di polvere è stato ampiamente studiato da osservazioni astronomiche negli ultimi anni e ora può essere considerato come stabilito (vedi recensione di Testi et al.) 5 in modo che possiamo concludere che il principale meccanismo attraverso il quale i primi corpi macroscopici in giovani sistemi planetari è stato identificato forma. Tuttavia, l&#39;ulteriore crescita di corpi di almeno dimensioni chilometri non è così chiara. Per la regione terrestre-pianeta, due ipotesi sono attualmente discussi (vedi anche le recensioni più recenti in materia di Johansen et al 2 e Testi et al 5..): (I) la concentrazione degli aggregati di polvere cm dimensioni da, ad esempio, il in streaming instabilità 6 e successiva gravitcrollo azionale 7,8 e (ii) la crescita di pochi &quot;fortunati vincitori&quot; ai formati più grandi, con conseguente accrescimento di massa dal processo di trasferimento di massa 9,10,11. In entrambi i modelli, dimensioni cm aggregati di polveri subiscono un enorme numero di collisioni reciproche a basse velocità moderata. Non è chiaro quali sono i possibili esiti di queste collisioni (oltre a rimbalzo) sono. Per migliorare la polvere aggregato modello collisione Güttler et al. 3 e di indagare più in dettaglio le collisioni tra aggregati di polvere macroscopici nei regimi di velocità relative, abbiamo istituito due torri goccia nel nostro laboratorio, in cui i singoli collisioni aggregate aggregato può essere studiato nei minimi dettagli in condizioni di vuoto e di microgravità. Entrambe le torri goccia possiedono un&#39;altezza caduta libera di 1,5 m, il che limita il tempo di osservazione di ~ 0,5 sec. Così, osserviamo le collisioni da telecamere ad alta velocità con formato megapixel e fino a 7500 fotogrammi al secondo.Per ottenere il massimo contrasto e alte velocità di registrazione, viene scelto l&#39;illuminazione in campo chiaro. L&#39;illuminazione è quindi fornita da pannelli a LED ad alta intensità e omogeneizzata da schermi diffusori. Così, le telecamere ad alta velocità vista la polvere collisione aggrega oggetti scuri davanti uno schermo illuminato. Per evitare sfarfallio, i LED sono alimentati DC. Per ottenere basse velocità di collisione, i due aggregati di polveri sono posti uno sopra l&#39;altro in un doppio meccanismo di rilascio. Rilasciando l&#39;aggregato superiore un tempo di t prima quello inferiore risultati in una velocità relativa di v = gt, con g = 9,81 m / sec 2 essendo l&#39;accelerazione gravitazionale terrestre. Le due telecamere ad alta velocità, che visualizzano la collisione da due direzioni 90 ° di distanza, sono tipicamente rilasciati tra i due aggregati di polvere (tipicamente t / 2 dopo la particella superiore). Le telecamere eseguita in modalità continua registrazione, la quale termina con l&#39;impatto della fotocameratitolari in secchi di sabbia. Il frame rate massimo in questa modalità operativa è di 1.000 immagini al secondo con risoluzione megapixel. Con questa impostazione, le velocità al di sotto di 0,01 m / sec sono stati raggiunti. A causa delle limitazioni della configurazione meccanica del meccanismo di doppia uscita, la velocità massima di collisione relativa è ~ 3 m / sec. Le collisioni che coinvolgono aggregati di polvere fino a 5 cm di grandezza sono stati indagati in questa torre di caduta. Per velocità di collisione elevate fino a ~ 10 m / sec, una seconda torre di caduta viene utilizzato, che è dotato di un acceleratore elettromagnetico che è in grado di accelerare uniformemente polvere aggrega fino a 5 m / sec in direzione verticale verso l&#39;alto. L&#39;altro aggregato polvere è detenuto da una botola meccanismo di rilascio a doppia ala e può essere rilasciato gratuitamente rotazione in caduta libera in un dato momento. Qui, non ha senso utilizzare le telecamere in caduta libera. Noi invece usiamo due telecamere fisse ad alta velocità fino a 7.500 fotogrammi al secondo e una risoluzione megapixel. A causa della grande Diameter di questa torre di caduta, polveri inerti fino a (e possibilmente sopra) 10 cm possono essere usati.

<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

Per lo scopo di indagare l&#39;evoluzione degli aggregati di polvere nei primi anni del Sistema Solare, abbiamo sviluppato due torri di caduta vuoto in cui aggregati di polvere fragili con dimensioni fino a circa 10 cm e porosità fino al 70% possono essere scontrati. Una delle torri di caduta viene utilizzato principalmente per la velocità d&#39;impatto molto in basso, al di sotto di 0.01 m / sec e si avvale di un meccanismo di doppia uscita. Le collisioni sono registrati in stereo-view da due telecamere ad alta velocità, che cadono lungo il tubo a vuoto di vetro nella cornice dei due aggregati di polvere centro-di-massa. L&#39;altra caduta libera torre fa uso di un acceleratore elettromagnetico che è in grado di accelerare dolcemente aggregati di polveri fino a 5 m / sec. In combinazione con l&#39;uscita di un altro aggregato polvere caduta libera, la collisione con velocità fino a ~ 10 m / sec può essere raggiunto. Qui, due telecamere fisse ad alta velocità registrano gli eventi di collisione. In entrambe le torri di goccia, gli aggregati di polvere sono in caduta libera durante l&#39;urto in modo che siano il peso e corrispondonocondizioni nei primi Sistema Solare.

Utilizzando i campioni di polvere di aggregazione ben caratterizzati descritti nel protocollo (vedi figure 1-3), le eventuali collisioni osservato in una delle torri di caduta laboratorio sarà fornire informazioni scientificamente preziose sui risultati di collisioni simili a dischi protoplanetari. Finora abbiamo investigato sistematicamente gli esiti di collisione di due centimetri dimensionati in aggregati sferici di polvere (con volume di riempimento fattori di 0,5) nel range di velocità tra 0,008 e 2,02 m / sec 13 e di 5 cm di dimensioni aggregati cilindrici di polvere (con il volume fattori di riempimento tra 0.3 e 0.5) nell&#39;intervallo di velocità tra 0,004 e 2 m / sec 12. Abbiamo trovato che rimbalza tra gli aggregati di polvere come il risultato dominante per velocità inferiori a ~ 0,4 m / sec per entrambi i tipi di aggregati di polveri (vedi Movie 6 per un esempio). In Figura 4 è mostrato il coefficiente di restituzione di queste collisioni rimbalza. I cerchi indicano gli esperimenti con 2campioni sferici di dimensioni cm 13 e triangoli rappresentano risultati di collisioni tra i 5 centimetri cilindri di polvere dimensioni con due imballaggio differente densità di 12. Sebbene i coefficienti di restituzione dei singoli esperimenti disperdono ampiamente, il valore medio del coefficiente di restituzione diminuisce con l&#39;aumentare della velocità di collisione. Entrambi gli aggregati di polvere tipicamente frammentano al momento dell&#39;impatto per velocità superiori a ~ 1 m / sec (vedi filmato 7 per un esempio). Per velocità tra ~ 0.4 e ~ 1 m / sec, si può verificare la frammentazione di uno solo dei due aggregati collisione polvere. In questo caso, la non frammentazione polvere aggregato guadagna una piccola percentuale di massa dal trasferimento di massa 13. I limiti di velocità sopra menzionati non sono nitide, ma indicano approssimativamente dove i confini tra i diversi regimi si trovano 2,11. Per le collisioni tra gli aggregati di polvere di diverse dimensioni e velocità moderate, gli impatti saranno generalmente non porterà t<html> o la frammentazione del più grande dei due aggregati di polvere. Al contrario, i corpi maggiori aumentano la loro massa mediante trasferimento di parte della massa dei dispositivi di simulazione più piccole (vedi film 8). Per i casi in cui i due aggregati di polvere rimbalzano l&#39;un l&#39;altro, il trasferimento dall&#39;energia cinetica traslazionale prima della collisione (che gli aggregati di polveri non ruotano prima dell&#39;urto) in energia cinetica traslazionale, energia cinetica rotazionale, e altri ( dissipativo) canali energetici (ad esempio, la compattazione degli aggregati di polveri) possono essere determinati. Abbiamo trovato che per urti centrali (in cui l&#39;energia di rotazione può essere trascurata) la relativa quantità di energia dissipata fortemente aumenta con l&#39;aumentare della velocità ed è maggiore per i fattori di riempimento di volume più basso della polvere aggregati 12. Questo comportamento può essere modellato da-simulazioni di dinamica molecolare 12. TTP :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Movie 1. movie ad alta velocità (riprodotto in slow motion) della particella-on-a-string ( in alto) e meccanismo di rilascio botola (in basso). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mold_cluster_cluster.MP4" target="_blank">Movie 2</a> . movie ad alta velocità (riprodotto in slow motion) del meccanismo di double trap-door release. Entrambi i campioni sono gruppi di Al 2 O 3 particelle di 2 mm di diametro, che rimangono confinati durante la caduta libera a causa del bassissimo disturbo durante il rilascio. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/scissor.MP4" target="_blank">Movie 3</a> . movie ad alta velocità (riprodotto in slow motion), della forbice tipo di meccanismo di doppia uscita. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/dw-trapdoor.MP4" target="_blank">Film</a>4. Movie ad alta velocità (riprodotto in slow motion), della botola meccanismo di rilascio a doppia ala. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/trigger.wmv" target="_blank">Movie 5</a> . Animazione dell&#39;elettronica timer di commutazione del meccanismo superiore e inferiore rilascio, nonché il rilascio fotocamera a caduta libera. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/9ms_2.MP4" target="_blank">Movie 6</a> . movie ad alta velocità (riprodotto in slow motion) di una collisione rimbalza tra due 5 cilindri di polvere-aggregate cm dimensioni. I due aggregati di polvere vengono rilasciati dalla forbice di tipo doppio meccanismo di sgancio e si scontrano con 0.09 m / sec di velocità. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/fragmentation.MP4" target="_blank">Movie 7</a> . movie ad alta velocità (riprodotto in slow motion) di due due centimetri-size aggregati cilindrici polvere colliding ad una velocità relativa di 7,4 m / sec. Entrambi gli aggregati frammentano completamente. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mass-transfer.MP4" target="_blank">Movie 8</a> . movie ad alta velocità (riprodotto in slow motion) di un aggregato 5 di polvere di dimensioni mm impatto un bersaglio solido di forma cilindrica 5 centimetri dimensioni. Poiché la velocità d&#39;impatto di 4,3 m / sec è superiore alla velocità frammentazione del piccolo aggregato polvere, questa rompe e trasferisce parte della sua massa al bersaglio, che è chiaramente visibile nel film. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/tracking_new.mov" target="_blank">Film 9</a> . Determinazione delle traiettorie delle particelle da un algoritmo semiautomatico particella-tracking. Qui, viene mostrata la collisione tra due 2 aggregati di polveri sferiche di dimensioni cm.

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

Vi presentiamo una tecnica per raggiungere bassa velocità di collisioni intermedia velocità tra aggregati di polvere fragili in laboratorio. A questo scopo, due configurazioni vuoto drop-torre sono stati sviluppati che consentono velocità di collisione tra &lt;0,01 e ~ 10 m / sec. Gli eventi di collisione vengono registrati da immagini ad alta velocità.

Laboratorio di goccia Torri per la simulazione sperimentale di collisioni Dust-aggregati nel sistema solare

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

SCIENTISTS IN ACTION

12.6K Views.  Technische Universität Braunschweig.  Vi presentiamo una tecnica per raggiungere bassa velocità di collisioni intermedia velocità tra aggregati di polvere fragili in laboratorio. A questo scopo, due configurazioni vuoto drop-torre sono stati sviluppati che consentono velocità di collisione tra 

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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.

Raccolta di energia solare per mezzo di separatori di carica-nanocristalli e loro Solidi

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

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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.

Simulazione del Planetary Interior differenziazione processi in Laboratorio

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.

Scansione veloce per studiare goccia Impatto dinamica dei fluidi non newtoniani

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;integrazione di un Triplet-tripletta Annihilation sistema Up-conversione per migliorare Dye-sensibilizzati Risposta Solar Cell a Sub-bandgap Luce

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.

Metodo ambiente per la produzione di un ionicamente Gated Nanotubi di carbonio catodo comune in celle solari tandem Organic

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.

Cationi monovalenti doping di CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; Per efficienti celle solari 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.

Elettrospinning degli elettrodi fotocatalitici per le celle solari sensibilizzate a tinte

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 Monitoraggio del degrado prestazioni accelerate di celle e moduli solari: un caso di studio per le celle solari di 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.

Valutazione interna sperimentale dell'efficienza e dell'irraggiamento Spot del doppietto acromatico su vetro (ADG) lente di Fresnel per fotovoltaico a concentrazione

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.

Procedura sperimentale per studi di laboratorio di In Situ di masterizzazione: infiammabilità ed efficienza di combustione del petrolio greggio

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