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
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The authors thank the Deutsches Zentrum f&#252;r Luft- und Raumfahrt (DLR), the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), and the TU Braunschweig for continual support of our laboratory activities. The low-velocity drop tower has been established under DLR grant 50WM0936, the high-velocity drop tower has been developed under DFG grant INST 186/959-1 as part of the CRC 963 &#8220;Astrophysical Flow Instabilities and Turbulence&#8221;.

<ol>
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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. 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VII. The low-velocity collision behavior of large dust agglomerates.</a> The Astrophysical Journal. 758, 35 (2012).</li><li>Beitz, E., G&#252;ttler, C., Blum, J., Meisner, T., Teiser, J., Wurm, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-velocity+collisions+of+centimeter-sized+dust+aggregates.">Low-velocity collisions of centimeter-sized dust aggregates.</a> The Astrophysical Journal. 736, 34 (2011).</li><li>Beitz, E., Blum, J., Mathieu, R., Pack, A., Hezel, D. 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Preparation, critical rolling friction force, and specific surface energy.</a> Icarus. 214, 717-723 (2011).</li></ol>

We have nothing to disclose.

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

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

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="573">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Monodisperse SiO2 particles</td>
			<td style="width:71px;">Micromod</td>
			<td style="width:119px;">43-00-153</td>
			<td style="width:167px;">Particle diameter 1.52 &#177; 0.06 &#181;m; particle shape spherical</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Polydisperse SiO2 particles</td>
			<td style="width:71px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">S5631</td>
			<td>Particle diameter 0.1 &#8211; 10 &#181;m; particle shape irregular</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;"></td>
			<td style="width:71px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

laboratory drop towers for the experimental simulation of dust-aggregate collisions in the early solar system

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

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

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

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

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