Name: laboratory drop towers for the experimental simulation of dust-aggregate collisions in the early solar system
Uploaded: 2014-06-05T13:00:00
Duration: 9 min 44 s
Description: 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

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;.

ADVARSEL: Afhængig af farlighed af de anvendte partikler, som kan findes i de tilsvarende sikkerhedsdatablade skal beskytte mund og sikkerhed gear bæres af den person, der arbejder med støvet. Det anbefales også at bruge en suge system til at holde den omgivende luft støvfrit. 1.. Udarbejdelse af cm-størrelse Dust samlede prøver <ol><li> Beregn mængden af krævede materiale ved m = Φ ρ 0 V, hvor m er den krævede masse, Φ er den ønskede lydstyrke fyldningsfaktor (volumen fyldningsfaktor = 1 - porøsitet), ρ 0 er det materiale tæthed, og V er rumfanget af prøven. 77 g af uregelmæssig silikat støv (ρ 0 = 2,6 g / cm 3) er nødvendig for at opnå en stikprøve porøsitet på 70% (volumen fyldningsfaktor = 0,3) for en cylindrisk prøve 5 cm i diameter og højde, hhv. Bemærk: Dannelse af jordbaserede planet begynder med koagulering af mikrometer-størrelse støvkorn - overvejende består af silikater - i cm-store porøse legemer. En velundersøgte og egnede laboratorium analogt materiale er SiO2, som er tilgængelig som irregulært formet pulver med en størrelsesfordeling i området fra 0,5 til 10 um, samt i form af monodisperse sfæriske korn til bedre sammenlignelighed teoretiske modeller (se tabel 1 og figur 1). </li></ol><table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="569"><tbody><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;width:161px;"> SiO2-monomer korntype </td><td style="width:96px;"> Producent </td><td style="width:119px;"> Partikeldiameter </td><td style="width:95px;"> Partikelform </td><td style="width:100px;"> Eksempel figur </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> Sfærisk </td><td> Figur 1 (venstre) </td></tr><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;"> Polydisperse </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 0,1-10 um </td><td> Uregelmæssig </td><td> Figur 1 (til højre) </td></tr></tbody></table> Tabel 1.. Karakteristik af SiO 2 partikler, der anvendes i støv-aggregat kollision eksperimenter. <img alt="Figur 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" width="500" /> Figur 1.. Electron-mikroskopi billeder af monodisperse (venstre) og polydisperse (højre) SiO 2 partikler, der anvendes til produktion af makroskopiske støv aggregater. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> <olstart = &quot;2&quot;&gt; <li> Tag en beholder med mikrometer-størrelse SiO 2 partikler (se tabel 1) og hæld dens indhold på en sigte med en maskestørrelse på 0,5 mm. Sigt en tilstrækkelig mængde af materiale og fyld den beregnede masse i formen. Materialet komprimeres i formen ved at trykke et stempel med hånden, indtil prøven højde er nået (fx 5 cm). Vend rundt formen på stemplet åbne bundpladen, og skub forsigtigt prøven ud. Bemærk: Prøver kan fremstilles i flere former (sfæriske og cylindriske), størrelser (1 mm til 10 cm) og porøsiteter (60 til 85%) (se figur 3). Prøver kan derefter bruges enkeltvis i kollisionsforsøgene eller kombineret i klynger, som derefter kolliderer med andre aggregater eller klynger. </li></ol><img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> Figur 2. Fotografi af. variationen af støv samlede prøve størrelser og former De følgende prøver vist: støv cylindre med 1 cm, 2 cm, og 5 cm i diameter (bagest), støv kugler med 1 cm og 2 cm i diameter (midterste række), og 2-3 mm-størrelse Al 2 O 3 kugler (forreste). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> <ol start="3"><li> Karakterisere prøverne med hensyn til porøsitet og homogenitet. Hvis prøverne falder uden tilladte margener, producere nye prøver. <ol><li> For at bestemme porøsitet støvprøven, bestemme dens volumen ved at måle dens dimensioner og dens masse ved hjælp af en præcis balance. </li><li> Brug røntgen tomografi (XRT) 12 for at få oplysninger om homogenitet og pore-størrelse distribution af den producerede prøve. Bemærk: Ved de 5 cm-størrelse støv aggregater, fandt vi afvigelser fra middelværdien volumen påfyldning factor, dvs forholdet mellem massefylden af prøven og materialet tætheden af monomer-støvpartikler, af kun omkring 1% i størstedelen af mængden af prøver og en lidt større stigning i mængden fyldningsfaktor med op til 8% mod ydre grænser 12. Figur 3 viser en XRT rekonstruktion af et snit gennem en cylindrisk støv samlet diameter på 5 cm og 5 cm højde. Vi bruger ikke XRT for hver støv aggregat men undersøge den interne struktur og homogenitet af tilfældige prøver. </li></ol></li></ol><img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> Fig. 3. Rekonstruktion af den interne struktur af en cylindrisk støv samlet prøve på 5 cm og 5 cm i diameter efter XRT analyse. Gråskalaen betegner volumen påfyldning faktor, som er forholdet mellem massefylde than prøve og materialet tætheden af ​​monomer-støvpartikler. Fra XRT rekonstruktion, er det tydeligt, at denne høje porøsitet prøve blev samlet ved hjælp af mm-store støv-aggregater. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> 2.. Princippet om Drop Tower Setup <ol><li> Udløseanordninger: I den øvre del af dråben tårnet er fastgjort to udløsningsmekanismer ene oven på den anden. Hver af dem besidder en prøve, og frigiver den i frit fald. Tidsforskellen mellem frigivelsen af ​​den øvre og den nedre partikel bestemmer den relative hastighed af kollisionen. Ifølge morfologi og formen af ​​partiklerne, vælges passende mekanismer frigivelse. Hvis der anvendes en partikelaccelerationsanordning mekanisme, der kun en udløsningsmekanisme påkrævet. <ol><li> Partikel-on-a-streng udløsermekanisme (sfæriske prøver uppis partikel): Denne udgivelse mekanisme består af en lineær magnetventil magnet og et solidt metal tæller stykke. <ol><li> Fastgør partikel at blive frigivet til en streng. Hold snoren på plads ved at klemme den mellem magnetventil magneten og solidt metal tæller stykke. </li><li> For at frigøre partiklen, anvende en elektrisk strøm til magnetventil magnet (se Movie 1). </li></ol></li><li> Trap-dør udløsermekanisme (sfæriske prøver lavere partikel): Denne udgivelse mekanisme består af en roterende solenoide magnet, som en partikel indehaver er vedlagt. <ol><li> Placer partikel i et halvkugleformet form, som roteres nedad ved en roterende solenoide, når en elektrisk strøm anvendes (se Movie 1). </li><li> Denne mekanisme kan også bruges til frigivelse af partikel klynger eller aggregerede klumper. I sidstnævnte tilfælde montere to trap-Døråbner mekanismer over hinanden (se Movie 2). </li></ol&gt; </li><li> Scissor-typen dobbelt udløsermekanisme (cylindriske prøver): Denne frigørelsesmekanisme består af to par af roterende magnetventiler magneter som en metalstang er fastgjort. De to magnetventiler magneter i hver frigørelsesmekanismen er placeret således, at de to metalstænger er parallelle. <ol><li> Placer de to prøver på de to parallelle stænger hver. </li><li> Anvend en elektrisk strøm til de to rotations solenoider til at frigive partiklerne i frit fald. (Se Movie 3). </li></ol></li><li> Dobbelt-wing Falddør udløsermekanisme (cylindriske prøver, i kombination med partikel acceleration mekanisme): Denne udgivelse mekanisme består af to fjederbelastede metalplader, der tilsammen danner en v-formet partikel holder. De to metalplader er holdt på plads af en metalstang, der er fastgjort til en drejelig solenoide magnet. <ol><li> Den cylindriske støv prøve anbringes på den lukkede lemmen. </li><li> Lås lemmen ved at anvendeen elektrisk strøm til magnetspolen magnet. For at undgå hoppende-back af dørene, hvirvelstrømsbremse bremser stoppe dem (se Movie 4). Bemærk: Det er vigtigt at frigøre partiklerne i frit fald uden indledende hastighed og rotation. Til dette formål er der udviklet flere Udløsningsmekanismer (2.1.1 - 2.1.4). </li></ol></li></ol></li><li> Partikelacceleration mekanismer: Accelererer partiklerne enten ved en pre-loaded foråret eller ved en elektro-magnetisk drevne lineær fase. Begge acceleratorer kan udstyres med prøven holdere til forskelligt formede partikler. </li> <li> Styreelektronik: Indstil timeren og frigivelse elektronik til de relevante værdier for at opnå den ønskede kollision hastighed og til at betjene kameraet i et center-of-mass ramme. Bemærk: Timingen af partikelfrigiveaktuatoren, partikelacceleration og kamera frigivelse udføres ved et sæt af elektroniske timere, hvis funktionalitet er forklaret i MOvie 5.. </li></ol> 3.. Performing Eksperimenter <ol><li> Lav hastighed kollisioner (lille dråbe tårn): <ol><li> Isæt prøverne ind i saks-typen dobbelt udløsermekanisme og tæt vakuum glasrør. </li><li> Start evakuering og indstille timer parametre. </li><li> Vedhæft kameraer til deres magnetiske frigivelse enheder. Start kontinuerlig kamera optagelse. Bemærk: På grund af den høje intensitet af LED lysfeltbelysning, kan en tilstrækkelig kort eksponeringstid high-speed kamera vælges således, at partiklen bevægelse under eksponeringen er ubetydelig. Oven i købet, skal f-stop af målsætningen kameraet sættes til tilstrækkeligt høje værdier til at udvide dybden af ​​fokus over hele diameteren af ​​dråben tårnet. </li><li> Når den ønskede vakuum kvalitet er nået, tænde lys, skal du trykke på startknappen og downloade billedet sekvenser. </li></ol></li><li> Høj hastighed kollisioner (stor dråbe tårn): <ol><li> Isæt prøverne ind i dobbelt-wing Falddør udløsermekanisme og speeder og luk vakuum glasrør. </li><li> Start evakuering og indstille timer parametre. </li><li> Start kontinuerlig kamera optagelse. Når den ønskede vakuum kvalitet er nået, tænde lys og tryk på startknappen. Downloade billedet sekvenser. Bemærk: På grund af den høje intensitet af LED lysfeltbelysning, kan en tilstrækkelig kort eksponeringstid high-speed kamera vælges således, at partiklen bevægelse under eksponeringen er ubetydelig. Oven i købet, skal f-stop af målsætningen kameraet sættes til tilstrækkeligt høje værdier til at udvide dybden af ​​fokus over hele diameteren af ​​dråben tårnet. </li></ol></li></ol> 4.. Eksempel Eksperimenter <ol><li> Load prøverne forsigtigt ind i passende udløsning. <ol><li> Kollisioner ved lav hastighed (dobbelt udløseanordning, 0,09 m / sek): 5 cm vs 5 cm, hoppende. Load prøverne i to saks-type release mekanismer. Tilopnå kollision hastigheder på 0,09 m / sek, placere partikler 7 mm fra hinanden og indstille tidsforsinkelsen af ​​de mekanismer, frigivelse til 9 ms. Bemærk: På dette anslagshastighed, støvprøverne preller hinanden efter kollisionen. Billedet sekvens er taget til fange af en frit faldende high-speed kamera (se Movie 6). </li> <li> High-speed kollisioner (elektromagnetisk accelerator 7.4 m / sek): 2 cm vs 2 cm, fragmentering. Indlæse en prøve på dobbelt-wing Falddør udløsningsmekanisme; Placer den anden prøve på indehaveren prøven af ​​den lineære fase accelerator. Bemærk: For at opnå en kollision hastigheder på 7,4 m / s, er den nedre støv aggregat accelereret jævnt opad med 2 g, samtidig med den øvre støv aggregat falder. Ved en relativ hastighed på 7,4 m / sek, den støvprøver fragment (se Movie 7). </li> <li> High-speed kollision af små aggregater på store aggregater: 0,5 cm vs 5 cm, massetransport. Load the store prøve på en saks type udløsermekanisme; placere mindre stikprøve på indehaveren prøven af ​​foråret speederen. Bemærk: For at opnå en kollision hastigheder er nødvendige for massetransport er den nedre støv aggregat accelereret jævnt opad, samtidig med den øvre støv aggregat falder. På dette relative hastighed, de mindre prøve fragmenter og overfører en lille mængde masse onto større prøve. Da kameraet falder langs den øverste (mere massiv) partikel, de billeder, der er truffet af high-speed kamera giver indtryk af en stor partikel mere eller mindre i hvile (se Movie 8), hvilket ikke er sandt, som set fra ydersiden af drop tårn. </li></ol></li><li> Luk vakuum glasrør. </li><li> Åbn forsigtigt vakuum ventil til pumperne for at starte langsom evakuering og indstille timeren parametrene til den ønskede tidsforskel til den ønskede kollision hastighed. </li><li> Vedhæft kameraer til deres release-enheder (hvis der anvendes frit faldende kameraer).Start kontinuerlig kameraoptagelse og tænde lys. </li><li> Når den ønskede vakuum kvalitet er nået, skal du trykke på udløserknappen for at starte timeren sekvens. </li><li> Downloade billedet sekvenser optaget med højhastigheds-kameraer til en computer. </li></ol> 5.. Dataanalyse <ol><li> Vælg en passende tærskel grå værdi mellem baggrunden og objekternes grå værdi. Opret et binært billede baseret på denne tærskel ved at sætte pixel med grå værdier over tærsklen til hvid (binær værdi 1) og pixels med lavere grå værdier til sort (binære værdi 0). </li><li> Bestemme placeringen af ​​partiklernes centrum af massen i hvert af billederne. En god tilnærmelse til at bestemme tyngdepunktet for symmetriske partikler er centrum for det projicerede areal. Dette er beregnet ud fra binariserede billeder. </li><li> Brug den relative position af objekternes centre for masse og tid information fra kamerabilleder til at beregnerelative hastighed (se Movie 9). Skråningerne af position kurve vises på højre side af Movie 9. <ol><li> I tilfælde af en kollision stiger, bestemme de relative hastigheder før og efter kontakt. Beregn Restitutionskoefficienten, dvs forholdet mellem hastigheden efter kollisionen og før. Plot den relative hastighed mod restitutionskoefficienten. Et eksempel på denne analyse er vist i figur 4. </li></ol></li></ol><img alt="Figur 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" width="500" /> Figur 4.. Eksempel på analyse af hoppende kollisioner. Restitutionskoefficienten, dvs forholdet mellem rebound hastighed og anslagshastigheden, er plottet som en funktion af kollision hastighed. Cirkler viser data for sfæriske støv aggregater af 2 cm diameter 13 (se figur 2), trekanter betegner kollisioner mellem cylindriske støv aggregater 5 cm i diameter og 5 cm højde af (se figur 2) og to forskellige påfyldning volumen faktorer af 0,3 og 0,4 henholdsvis 12. De data viser en tendens til faldende restitutionskoefficienten med stigende anslagshastighed. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> <ol start="2"><li> Hvis en eller begge partikler fragment, fastlægge størrelsen af ​​så mange af de største fragmenter som muligt ved at måle deres respektive projicerede områder og under forudsætning af passende former. <ol><li> Hvis der sker en fragmentering af kun én partikel, er det normalt overfører en vis mængde af massen til den overlevende partikel. Bestem mængden af ​​overført masse ved at måle accreted volumen, under forudsætning af en passende form og porøsitet at kvantificere masse-transfer effektivitet. </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. 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.

På grund af den høje mekaniske præcision, den fejlrate på både dråbe tårne ​​er ekstremt lav. Det er af allerstørste betydning, fordi forberedelse af prøven kan tage op til flere timer, afhængigt af størrelse, form og porøsitet af de ønskede støv aggregater. Det bør nævnes, at store støv aggregater med meget høje porøsiteter er meget skrøbelige og dermed vanskelig at håndtere. Det kan forekomme, at disse støv aggregater i stykker under udvinding fra formen eller overførsel til drop tårn. I disse tilfælde, en ny prøve skal forberedes. Derfor er det vigtigt, at den lille dråbe tårn giver pålidelige (og forudsigelige) kollision hastigheder ned til 0,01 m / sek 11,13. Den laveste anslagshastighed hidtil opnåede, var 0,004 m / sek. Disse små indvirkning hastigheder kan kun nås for frie partikler i en vægtløshed miljø. Laboratoriet drop tårnet er en billig og alsidig realisering af en sådan vægtløshed facilitet. Alternative metoder til at opnå lav effekt hastigheder gør brug af levitation teknikker 14,15 (fx ved elektromagnetisk eller aerodynamisk levitation), men generelt inducerer en kraft mellem de kolliderende partikler, som der skal tages hensyn til i analysen af kollisioner. Desuden levitation ofte inducerer rotationsbevægelse 14, der, hvis uønskede, ikke tillader rotation uden kollisioner, men på den anden side kunne endda tillade realistiske simuleringer af kollisioner mellem roterende partikler. I tilfælde af aerodynamisk levitation kan luftpuder effekter under kollisionen fremkalde uønskede forhold, der ikke passer dem i protoplanetariske diske. Men levitation tillader ubegrænset observationstidspunkt og gentagelige eksperimenter, således at det skal betragtes som et alternativ til drop tårnet, hvis tidsbegrænsningen er afgørende. Alle vores bestræbelser har hidtil været koncentreret om SiO 2 som en repræsentant for silikater i det jordbaserede planeten dannelse rEgion af unge Solar Systems. Da de fleste af massen af protoplanetare diske er koncentreret over fortætningspunktet vandis, er det vigtigt også at undersøge kollision adfærd aggregater bestående af um-størrelse H 2 O-iskorn. Vi er ved at oprette en cryo-vakuum drop tårn til dette formål. Det skal bemærkes, at temperaturerne i disse simulation eksperimenter skal være under ~ 150 K, som er temperaturen af ​​den såkaldte &quot;sne linje&quot; i protoplanetariske diske (&quot;den sne line&quot; opdeler de indre regioner, hvor vandet er i damp fase fra de ydre regioner, hvor den findes som fast vand is). Vi har vist, at dannelsen af mikrometer-størrelse vand-is partikler er mulig og at aggregater deraf kan fremstilles 16, så vi er optimistiske at have de første resultater på deres kollision adfærd inden for de næste 1-2 år.

Det er generelt accepteret, at planet dannelse starter med den ikke-gravitationelle ophobning af mikroskopisk små støvkorn i større støv aggregater (se gennemgang af Blum &amp; Wurm) 1.. Støvpartikler kolliderer inden for deres protoplanetariske diske på grund af Brownsk bevægelse, relativ afdrift bevægelser, og turbulens gaskyen (se gennemgang af Johansen et al.) 2.. Hvis kollision hastigheder er tilstrækkelig lav, støvpartikler klæber sammen til dannelse af større agglomerater. Et væld af laboratoriemålinger i de seneste år har ført til en støv-aggregat kollision model, der forudsiger resultatet af et par støv aggregater med vilkårlige masser og kollision hastigheder 3. De grundlæggende collisional resultater stikning (generelt for små aggregerede masser og lave kollision hastigheder), hoppe, og fragmentering (for høj impact hastigheder). Men overgangene mellem disse faser er ikke skarpe, og der er andreresultater, som f.eks massetransport eller erosion. Anvendelsen af denne model til en typisk protoplanetariske disk forudsiger vækst af cm mellemstore støv aggregater inden for et par tusinde år 4. Tilstedeværelsen af cm-størrelse støv aggregater er blevet grundigt undersøgt af astronomiske observationer i de seneste år, og nu kan betragtes som oprettet (se gennemgang af Testi et al.) 5, således at vi konkludere, at det princip, mekanisme, hvormed de første makroskopiske organer unge planetsystemer formular er blevet identificeret. Men den yderligere vækst på organer mindst km størrelser er ikke så klar. For det jordbaserede planeten region, der er to hypoteser i øjeblikket drøftes (se også de seneste anmeldelser vedrørende dette spørgsmål inden Johansen m.fl. 2 og Testi m.fl. 5..): (I) koncentration af cm mellemstore støv aggregater ved, fx streaming ustabilitet 6 og efterfølgende Gravitnelle kollaps 7,8 og (ii) væksten i et par &quot;heldige vindere&quot; til større størrelser med efterfølgende masse tilvækst ved proces masse-overførsel 9,10,11. I begge modeller cm størrelse støv aggregater gennemgå et enormt antal af gensidige kollisioner ved lav til moderat hastigheder. Det er uklart, hvad de mulige udfald af disse kollisioner (udover hoppende) er. At forbedre støv samlede kollision model af Güttler et al. 3 og til at undersøge nærmere kollisionerne mellem makroskopiske støv aggregater i de relevante velocity regimer, vi oprettet to drop tårne ​​i vores laboratorium, hvor de enkelte aggregerede-aggregat kollisioner kan studeres i stor detalje under vakuum og vægtløshed forhold. Begge drop tårne ​​besidder en fri faldhøjde på 1,5 m, hvilket begrænser observationstiden til ~ 0,5 sek. Således ser vi kollisioner ved high-speed kameraer med megapixel-format og op til 7.500 frames per sekund.For at opnå maksimal kontrast og høje optagehastigheder er lysfeltbelysning vælges. Belysning er således tilvejebragt ved høj intensitet LED-paneler og homogeniseres ved diffuser skærme. Således se high-speed kameraer kolliderende støv aggregater som mørke objekter foran en oplyst skærm. For at undgå flimmer, lysdioder DC-spænding. For at opnå lave kollision hastigheder, er de to støv aggregater placeret over hinanden i en dobbelt udløsning. Frigivelse den øverste aggregat et tidspunkt t, før den nederste resulterer i en relativ hastighed på v = gt, med g = 9,81 m / sek 2 er tyngdeaccelerationen på Jorden. De to high-speed kameraer, som vist kollisionen fra to retninger 90 ° fra hinanden, typisk udgivet i mellem de to støv aggregater (typisk t / 2 efter den øverste partikel). Kameraerne kører i kontinuerlig optagefunktion, som afsluttes med virkningen af ​​kameraetholdere til sand spande. Den maksimale billedhastighed i denne driftsmåde er 1.000 billeder pr sekund ved megapixel opløsning. Med denne opsætning hastigheder ned til under 0,01 m / sek er nået. På grund af begrænsninger i mekanisk opsætning af dobbelt udløsningsmekanisme den maksimale relative kollisionshastighe er ~ 3 m / sek. Kollisioner med støv aggregater med op til 5 cm i størrelse er blevet undersøgt i denne drop tårn. For højere kollision hastigheder op til ~ 10 m / sek, en anden drop tårn anvendes, som er udstyret med en elektromagnetisk accelerator, der er i stand til problemfrit at fremskynde støv aggregater op til 5 m / sek i lodret opadgående retning. Den anden støv aggregat holdes af en dobbelt-wing Falddør udløsningsmekanisme og kan frigives rotation-fri i frit fald på et givent tidspunkt. Her giver det ikke mening at bruge frit faldende kameraer. Vi bruger snarere to stationære high-speed kameraer med op til 7.500 frames per sekund og megapixel opløsning. På grund af den større diametis af dette fald tårn, støv aggregater op til (og muligvis ovenfor) 10 cm i størrelse kan bruges.

<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

Med henblik på at undersøge udviklingen af ​​støv aggregater i det tidlige solsystem, vi udviklet to vakuum dråbe tårne, hvor skrøbelige støv aggregater med størrelser op til ~ 10 cm og porøsiteter på op til 70% kan kolliderede. En af drop tårne ​​bruges primært til meget lav effekt hastigheder ned til under 0,01 m / sek og gør brug af en dobbelt udløsning. Kollisioner er optaget i stereo-view af to high-speed kameraer, der falder langs glas vakuum rør i centrum-of-masse stel af de to støv aggregater. Den anden frit fald tårn gør brug af en elektromagnetisk accelerator, der er i stand til forsigtigt accelerere støv aggregater op til 5 m / sek. I kombination med udgivelsen af ​​en anden støv aggregat til frit fald, kollision hastigheder op til ~ 10 m / sek kan opnås. Her to faste high-speed kameraer registrerer kollision begivenheder. I begge dråbe tårne, støv aggregater er i frit fald under kollisionen, så de er vægtløs og matcheforhold i det tidlige solsystem.

Brug af velkarakteriserede støv samlede prøver, der er beskrevet i protokollen (se figur 1-3), vil enhver kollision observeret i en af laboratoriet dråbe tårne ​​give videnskabeligt værdifulde oplysninger om resultaterne af tilsvarende kollisioner i protoplanetariske diske. Vi har hidtil systematisk undersøgt kollisions resultaterne af 2 cm dimensioneret sfæriske støv aggregater (med volumen påfyldning faktorer 0.5) i hastigheden på mellem 0,008 og 2,02 m / sek 13 og på 5 cm store cylindriske støv aggregater (med volumen påfyldning faktorer mellem 0.3 og 0.5) i hastighed på mellem 0,004 og 2 m / sek 12. Vi fandt hoppen mellem støv aggregater som det dominerende resultat for hastigheder under ~ 0,4 m / sek for begge typer af støv aggregater (se Movie 6 for et eksempel). I figur 4 er restitutionskoefficienten af disse hoppende kollisioner vist. Cirklerne betegner eksperimenterne med 2cm store sfæriske prøver 13 og trekanterne repræsenterer resultaterne fra kollisioner mellem 5 cm mellemstore støv cylindre med to forskellige pakning tætheder 12. Selv koefficienterne af tilbagelevering af de enkelte eksperimenter scatter bredt, den gennemsnitlige værdi af restitutionskoefficienten falder med stigende sammenstød hastighed. Begge støv aggregater typisk fragmentere ved anslag til hastigheder over ~ 1 m / sek (se Movie 7 for et eksempel). For hastigheder mellem ~ 0,4 og ~ 1 m / sek, kan fragmentering af kun en af ​​de to kolliderende støv aggregater forekomme. I dette tilfælde, den ikke-fragmentering støv aggregat får et par procent af massen ved massetransport 13. Ovennævnte hastighedsbegrænsningen er ikke skarpe, men betegne omtrent, hvor grænserne mellem de forskellige ordninger ligge 2,11. For kollisioner mellem støv aggregater i forskellige størrelser og moderate hastigheder, vil påvirkninger generelt ikke føre t<html> o fragmenteringen af ​​det største af de to støv aggregater. På den modsatte, de større organer øge deres masse ved overførsel af en del af massen af de mindre stødorganer (se Movie 8). For de tilfælde, hvor de to støv aggregater hoppe ud hinanden, overførslen fra translationel kinetisk energi før kollisionen (imod, at støv aggregater ikke roterer før kollisionen) ind translationel kinetisk energi, roterende kinetisk energi, og andre ( afledende) kan bestemmes energi kanaler (f.eks komprimering af støv tilslagsmaterialer). Vi fandt, at for centrale kollisioner (hvor rotationsenergi kan negligeres) den relative mængde af energi, der spredes stiger kraftigt med stigende hastighed og er højere for lavere volumen påfyldning faktorer støvet aggregater 12. Denne adfærd kan modelleres ved molekylær-simuleringer 12. ttps :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Movie 1. High-speed film (afspilles i slowmotion) af partiklen-on-a-streng ( øverst) og Falddør udløsermekanisme (nederst). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mold_cluster_cluster.MP4" target="_blank">Movie 2</a> . High-speed film (afspilles i slowmotion) i dobbelt trap-door release mekanisme. Begge prøver er klumper af Al 2 O 3 partikler med en diameter 2 mm, der forbliver begrænset i frit fald på grund af den ekstremt lave forstyrrelse under udgivelse. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/scissor.MP4" target="_blank">Movie 3</a> . High-speed film (afspilles i slowmotion) i saks-typen dobbelt release mekanisme. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/dw-trapdoor.MP4" target="_blank">Film</a>4.. High-speed film (afspilles i slowmotion) af dobbelt-fløj Falddør udløsning. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/trigger.wmv" target="_blank">Movie 5.</a> . Animation af Timer elektronik skifter den øverste og nederste release mekanisme samt kamera frigivelse til frit fald. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/9ms_2.MP4" target="_blank">Movie 6.</a> . High-speed film (afspilles i slowmotion) af et hoppende kollision mellem to 5 cm størrelse støv-aggregat cylindre. De to støv aggregater frigives af saks-typen dobbelt udløsermekanisme og kollidere med 0,09 m / sek hastighed. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/fragmentation.MP4" target="_blank">Movie 7</a> . High-speed film (afspilles i slowmotion) af to 2 cm-store cylindriske støv aggregater colliding ved en relativ hastighed på 7,4 m / sek. Begge aggregater fragmenterer helt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mass-transfer.MP4" target="_blank">Movie 8</a> . High-speed film (afspilles i slowmotion) af et 5 mm-størrelse støv aggregat påvirker en 5 cm-størrelse cylindrisk fast mål. Som anslagshastighed på 4,3 m / s er over fragmenteringen hastigheden af ​​små støv aggregat, dette bryder fra hinanden og overfører en del af sin masse til målet, hvilket er tydeligt i filmen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/tracking_new.mov" target="_blank">Film 9</a> . Bestemmelse af partikelbaner af en halvautomatisk partikel-sporingsalgoritmen. Her er kollision mellem to 2 cm størrelse sfæriske støv aggregater vist.

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

Vi præsenterer en teknik til at opnå lav hastighed til mellemliggende hastighed kollisioner mellem skrøbelige støv aggregater i laboratoriet. Til dette formål har to vakuum drop-tårn opsætninger blevet udviklet, som tillader kollision hastigheder mellem &lt;0,01 og ~ 10 m / sek. De kollision hændelser registreres af high-speed billedbehandling.

Laboratorium Drop Towers for Eksperimentel Simulering af Dust-aggregerede kollisioner i tidlige solsystem

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 ...

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Kinetics of a Particle: Impulse and Momentum

SCIENTISTS IN ACTION

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

Høst Solar energi ved hjælp af Charge-separerende nanokrystaller og deres Solids

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

Simulering af Planetary Interiør differentieringsprocesser i laboratoriet

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

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

Brug Neutron Spin Echo løst græsning Incidens Scattering at undersøge organiske solcellematerialer

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

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

Hurtig Imaging teknik til at undersøge Drop Impact Dynamics af ikke-newtonske væsker

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

Integration en Triplet-triplet Annihilation Opkonvertering System til Enhance Dye-sensibiliserede Solar celle respons til Sub-båndgab 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 ...

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

Ambient fremgangsmåde til fremstilling af et ionisk Gated kulstof nanorør fælles katode i Tandem organiske solceller

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

Simulation of Human-induced Vibrations Based on the Characterized In-field Pedestrian Behavior

Simulering af Menneske-induceret Vibrations Baseret på Karakteriseret In-field Fodgænger Behavior

For slender and lightweight structures, vibration serviceability is a matter of growing concern, often constituting the critical design requirement. With ...

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Monovalent kation doping af CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; Til Effektive Perovskite solceller

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

Elektrospinning af fotokatalytiske elektroder til farvesensibiliserede solceller

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

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

In Situ Overvågning af accelereret ydeevne nedbrydning af solceller og moduler: en Case Study for Cu (i, Ga) Se2 solceller

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