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;.

FORSIKTIG: Avhengig hazardousness av de brukte partikler, som kan finnes i de tilsvarende HMS-datablad, må munnen beskyttelse og sikkerhetsutstyr bæres av den person som arbeider med støvet. Det anbefales også å bruke en sugesystem for å holde omgivelsesluften støvfritt. En. Utarbeidelse av cm-sized Dust samleprøver <ol><li> Beregne mengden av nødvendig material med m = Φ ρ 0 V, hvor m er den nødvendige masse, er Φ den ønskede volumfyllfaktor (volum fyllfaktor = 1 - porøsitet), ρ 0 er materialet tetthet, og V er volumet av prøven. 77 g av uregelmessig silikastøv (ρ 0 = 2,6 g / cm 3) er nødvendig for å oppnå en prøve porøsitet på 70% (volumfyllfaktor = 0,3) for et sylindrisk prøve av 5 cm diameter og høyde, henholdsvis. Merk: Dannelse av bakke planøter starter med koagulering av mikrometer store støvkorn - hovedsakelig består av silikater - i cm-sized porøse organer. Et meget studert, og passende laboratorie analogt materiale er SiO 2, som er tilgjengelig som uregelmessig-formede pulver med en størrelsesfordeling området fra 0,5 til 10 um, så vel som i form av monodisperse sfæriske korn for bedre sammenlignbarhet til teoretiske modeller (se tabell 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;"> SiO 2-monomer korntypen </td><td style="width:96px;"> Produsent </td><td style="width:119px;"> Partikkeldiameter </td><td style="width:95px;"> Partikkel form </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 (til venstre) </td></tr><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;"> Polydisperse </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 0,1 til 10 um </td><td> Uregelmessig </td><td> Figur 1 (høyre) </td></tr></tbody></table> Tabell 1. Kjennetegn av SiO 2 partikler som brukes i støv samlet kollisjon eksperimenter. <img alt="Figur 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" width="500" /> Figur 1. Electron-mikroskopi bilder av monodisperse (til venstre) og polydisperse (høyre) SiO 2 partikler som brukes til produksjon av makroskopiske støv tilslag. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> <olstart = &quot;2&quot;&gt; <li> Ta en container med mikrometer-sized SiO 2 partikler (se tabell 1) og hell innholdet på en sikt med maskevidde på 0,5 mm. Sile en tilstrekkelig mengde av materialet, og fylle den beregnede massen inn i formen. Komprimere materialet i støpeformen ved å skyve inn et stempel for hånd til prøvehøyde er nådd (f.eks 5 cm). Snu formen på stempelet, åpne bunnplaten og skyv prøven ut. Merk: Prøver kan fremstilles i flere former (sfæriske og sylindriske), størrelser (1 mm til 10 cm) og porøsitet (60-85%) (se Figur 3). Prøvene kan deretter bli brukt hver for seg i kollisjons eksperimenter eller kombinert i klynger, som deretter kolliderer med andre aggregater eller klynger. </li></ol><img alt="Fig. 2" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> Figur 2. Photograph av. variasjonen av støv samlet utvalgsstørrelser og former Følgende eksempler er vist: støv sylindere med en cm, 2 cm, og 5 cm diameter (bakerste rad), støv kuler med en cm og 2 cm i diameter (i midten rad), og 2-3 mm størrelse Al 2 O 3 kuler (foran). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> <ol start="3"><li> Karakter prøvene med hensyn på porøsitet og homogenitet. Hvis prøvene faller utenfor tillatt marginer, produsere nye prøver. <ol><li> For å bestemme porøsiteten av støvprøve, å bestemme dets volum ved å måle dens dimensjoner og massen ved hjelp av en nøyaktig balanse. </li><li> Bruk røntgen-tomografi (XRT) 12 for å oppnå informasjon om den lodd og pore-størrelsesfordeling av den fremstilte prøve. Merk: For de fem cm-store støv aggregater, fant vi avvik fra gjennomsnittet volum fylle factor, dvs. forholdet mellom massen densitet av prøven og materialet tettheten av monomer-støvpartikler, av bare ca 1% i løpet av mesteparten av volumet av prøvene og en litt større økning av volumfyllfaktor med inntil 8% mot de ytre grenser 12. Figur 3 viser en XRT rekonstruksjon av et snitt gjennom en sylindrisk støv aggregat av 5 cm diameter og 5 cm høyde. Vi bruker ikke XRT for hver støv samlet, men undersøke den interne strukturen og homogenitet av stikkprøver. </li></ol></li></ol><img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> Fig. 3. Rekonstruksjon av den interne struktur av en sylindrisk støvsamleprøve på 5 cm høyde og 5 cm diameter etter XRT analyse. Gråskala betegner volumfyllfaktor, som er forholdet mellom massetettheten av tHan prøve og materialet tettheten av monomer-støvpartikler. Fra XRT gjenoppbygging, er det tydelig at dette med høy porøsitet prøven ble satt sammen ved hjelp mm store støv tilslag. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> 2. Prinsippet Drop Tower Setup <ol><li> Utløsermekanisme: I den øvre del av fall-tårnet to utløsermekanisme er festet den ene oppå den andre. Hver av dem har en prøve og slipper den i fritt fall. Tidsforskjellen mellom frigjøring av den øvre og den nedre partikkel bestemmer den relative hastighet av kollisjonen. I henhold til morfologi og formen av partiklene, er egnede frigjøringsmekanismer valgt. Dersom en partikkel-akselerasjon mekanisme brukes, er det bare en utløsermekanisme som kreves. <ol><li> Partikkel-on-a-streng utløsermekanisme (sfæriske prøver, uppeh partikkel): Denne utløsningsmekanismen består av en lineær solenoid-magnet og en fast metall mot stykket. <ol><li> Fest partikkel å bli sluppet til en streng. Hold strengen på plass ved fastklemming mellom den solenoid-magnet og det faste metall telleren stykke. </li><li> For å frigjøre partikler, gjelder en elektrisk strøm til solenoiden magnet (se Film 1). </li></ol></li><li> Luke på utløsermekanismen (sfæriske prøver, lavere partikkel): Denne utløsningsmekanismen består av en roterende solenoid-magnet til hvilken en partikkel holderen er festet. <ol><li> Plasser partikkelen inn i en semi-sfærisk form, som blir rotert nedover av en rotasjons-solenoid når elektrisk strøm tilføres (se Film 1). </li><li> Denne mekanisme kan også brukes for frigjøring av partikkel klynger eller aggregerte klumper. I dette sistnevnte tilfelle montere to luke på utløsermekanisme over hverandre (se Film 2). </li></ol&gt; </li><li> Scissor-type dobbel utløsermekanisme (sylindriske prøver): Denne utløsningsmekanismen består av to par av roterende magnet magneter til hvilken en metallstang er festet. De to magnet magneter i hver utløsningsmekanisme er plassert slik at de to metallstenger er parallelle. <ol><li> Plasser de to prøvene på de to parallelle stenger i hver. </li><li> Bruk av en elektrisk strøm til de to roterende magnetventilene for å frigjøre partiklene i fritt fall. (Se Movie 3). </li></ol></li><li> Double-fløyen luke på utløsermekanismen (sylindriske prøver, i kombinasjon med partikkelakselerasjonsmekanisme): Denne utløsningsmekanismen består av to fjærbelastede metallplater, som sammen danner et V-formet partikkel holderen. De to metallplater som er holdt på plass av en metallstang, som er festet til en rotasjons-solenoid-magnet. <ol><li> Plasser sylindrisk støvprøven på den lukkede luke. </li><li> Lås opp lemmen ved å brukeen elektrisk strøm til solenoiden magnet. For å unngå å sprette tilbake av dørene, induksjons bremser stoppe dem (se film 4). Merk: Det er viktig å frigjøre partiklene i fritt fall uten innledende hastighet og rotasjon. For dette formålet flere utløsermekanismer er utviklet (2.1.1 - 2.1.4). </li></ol></li></ol></li><li> Partikkel akselerasjon mekanismer: Akselererer partiklene enten ved en forhåndsbelastet fjær eller ved en elektro-magnetisk drevet lineær fase. Begge akseleratorer kan utstyres med prøven holdere for ulikt formede partikler. </li> <li> Styringselektronikk: Sett timeren og slipp elektronikk til de riktige verdiene for å oppnå ønsket kollisjonshastigheten og for å betjene kameraet i en sentrum-of-mass ramme. Merk: Tidspunktet for partikkel utgivelsen, partikkel akselerasjon og kamera utgivelsen er utført av et sett av elektroniske timere, hvis funksjonaliteten er forklart i MiMovie fem. </li></ol> Tre. Utføre eksperimenter <ol><li> Lav-hastighet kollisjoner (liten dråpe tårn): <ol><li> Laste prøvene inn i sakse-type dobbel utløsermekanisme og nær vakuum glassrør. </li><li> Starte evakuering og angi tidsparametere. </li><li> Fest kameraer til deres magnetiske utslipp enheter. Begynn kontinuerlig kameraopptak. Note: På grunn av den høye intensiteten av LED-lys-lys-feltet, kan en tilstrekkelig kort eksponeringstid for høyhastighetskamera velges slik at partikkelbevegelse under eksponeringen er ubetydelig. På toppen av det, må de f-stop av objektiv på kameraet settes til høye nok verdier til å utvide dybden av fokus over hele diameteren på dråpe tårnet. </li><li> Når ønsket vakuum kvalitet er nådd, slår på lys, trykk på startknappen og laste ned bildesekvenser. </li></ol></li><li> Høyhastighetskollisjoner (stor dråpe tårn): <ol><li> Laste prøvene inn i dobbel-seierg luke på utløsermekanisme og gasspedalen og lukk vakuum glassrør. </li><li> Starte evakuering og angi tidsparametere. </li><li> Begynn kontinuerlig kameraopptak. Når ønsket vakuum kvalitet er nådd, slå på lys og trykke på startknappen. Last ned bildesekvenser. Note: På grunn av den høye intensiteten av LED-lys-lys-feltet, kan en tilstrekkelig kort eksponeringstid for høyhastighetskamera velges slik at partikkelbevegelse under eksponeringen er ubetydelig. På toppen av det, må de f-stop av objektiv på kameraet settes til høye nok verdier til å utvide dybden av fokus over hele diameteren på dråpe tårnet. </li></ol></li></ol> 4. Eksempel Experiments <ol><li> Laste prøvene forsiktig inn i passende frigjøringsmekanisme. <ol><li> Lavhastighetskollisjoner (dobbel utløsermekanisme, 0,09 m / sek): 5 cm vs 5 cm, sprette. Laste prøvene i to sakse-type utløsermekanisme. Åoppnå kollisjon hastigheter på 0,09 m / sek, plassere partiklene 7 mm fra hverandre og sette tidsforsinkelse på utløsermekanismene til 9 msek. Merk: På dette støthastigheten, støvprøver spretter av hverandre etter kollisjonen. Bildesekvensen er fanget av et fritt fall høyhastighetskamera (se Movie 6). </li> <li> Høy hastighet kollisjoner (elektromagnetisk akselerator, 7,4 m / sek): 2 cm vs 2 cm, fragmentering. Last inn en prøve på to fløyer luke på utløsermekanisme; plassere den andre prøven i prøveholderen for den lineære trinns akselerator. Merk: For å oppnå kollisjon hastigheter på 7,4 m / sek, er den nedre støvsamle jevnt akselerert oppover med 2 g, samtidig som det øvre støvsamle faller. Ved en relativ hastighet på 7,4 m / sek, i støvprøver fragment (se film 7). </li> <li> Høyhastighets kollisjon av små aggregater på store aggregater: 0,5 cm vs 5 cm, massetransport. Laste the store prøven på et sakse-type utløsermekanisme; plassere den mindre prøven på prøveholderen av fjæren akselerator. Merk: For å oppnå kollisjon hastigheter som kreves for masseoverføring, er den nedre støvsamle jevnt akselerert oppover, samtidig som det øvre støvsamle faller. Ved denne relative hastighet, de mindre prøvefragmenter og overfører en liten mengde av massen ut mot større prøven. Ettersom kameraet faller langs den øvre (mer massiv) partikkel, er bilder tatt av høyhastighetskamera gi inntrykk av en stor partikkel mer eller mindre i ro (se film 8), som ikke er sann, sett fra utsiden drop tårnet. </li></ol></li><li> Lukk vakuum glassrør. </li><li> Åpne forsiktig vakuum ventil til pumpene for å starte sakte evakuering og stille timeren parametre til den nødvendige tidsforskjellen for ønsket kollisjonshastigheten. </li><li> Fest kameraer til sine utslipp enheter (hvis fritt fall kameraer blir brukt).Begynn kontinuerlig kameraopptak og slå på belysning. </li><li> Når ønsket vakuum kvalitet er nådd, trykker på utløserknappen for å starte timersekvensen. </li><li> Last ned bildesekvenser registrert av et høyhastighetskamera til en datamaskin. </li></ol> 5. Data Analysis <ol><li> Velg en passende terskel grå verdi mellom bakgrunnen og objektenes grå verdi. Lag et binært bilde basert på denne terskelen ved å sette piksler med grå verdier over terskelen til hvitt (binær verdi 1) og piksler med lavere gråverdier til svart (binær verdi 0). </li><li> Bestemme plasseringen av partiklenes sentrum av masse i hvert av bildene. En god tilnærming for å bestemme massesenteret for symmetrisk partikler er midten av det projiserte området. Dette er beregnet fra binarized bilder. </li><li> Bruk den relative plasseringen av objektenes sentre for masse og tidsinformasjonen fra kamerabildene for å beregnerelative hastighet (se film 9). Bakkene i stillingen kurve vises på høyre side av Movie 9. <ol><li> I tilfelle av en rebounding kollisjon, fastslår de relative hastighetene før og etter kontakt. Beregn koeffisienten til hvile, dvs. at forholdet mellom hastigheten etter kollisjonen og før. Plott den relative hastighet mot koeffisienten til restitusjon. Et eksempel på denne analysen 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" /> Fig. 4. Eksempel av analyse av hoppende kollisjoner. Koeffisienten hvile, dvs. forholdet mellom returhastighet og støthastigheten, er plottet som en funksjon av kollisjonshastighet. Sirkler viser data for sfæriske støv aggregater av 2 cm diameter 13 (se figur 2), triangler betegner kollisjoner mellom sylindriske støv aggregater av 5 cm diameter og 5 cm høyde (se figur 2), og to forskjellige volumfyllingsfaktorer på 0,3 og 0,4, henholdsvis 12.. Dataene viser en trend med synkende koeffisient av restitusjon med økende innvirkning hastighet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> <ol start="2"><li> Dersom en eller begge partikler fragment, bestemme størrelsene av så mange av de største fragmenter som mulig ved å måle deres respektive projiserte områder og under antagelse av egnede former. <ol><li> Ved oppsplitting av bare én partikkel skjer, vanligvis overfører den en viss mengde av massen til de overlevende partikkel. Bestemme mengden av overførte masse ved å måle accreted volum, forutsatt at en passende form og porøsitet for å kvantifisere 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 grunn av høy mekanisk presisjon, er strykprosent av begge slipp tårnene ekstremt lav. Dette er av største betydning, fordi prøvepreparering kan ta opp til flere timer, avhengig av størrelse, form og porøsitet av de ønskede støv aggregater. Det bør nevnes at store støv aggregater med meget høye porøsiteter er ekstremt skjøre, og dermed vanskelig å håndtere. Det kan forekomme at disse støv aggregater bryte under utvinning av mugg eller overføring til slipptårn. I slike tilfeller må en ny prøve for å bli fremstilt. Således er det viktig at den lille dråpe tårnet tillater pålitelige (og forutsigbare) kollisjon hastigheter ned til 0,01 m / sek 11,13. Den laveste kollisjonshastigheten så langt oppnådd var 0,004 m / sek. Disse små støt hastigheter kan bare nås for frie partikler i mikrogravitasjon miljø. Laboratoriet dråpe-tårnet er en billig og fleksibel realisering av en slik mikrogravitasjons anlegg. Vekselstve metoder for å oppnå lav innvirkning hastigheter gjøre bruk av levitasjon teknikker 14,15 (for eksempel ved elektromagnetisk eller aerodynamisk levitasjon), men generelt indusere en kraft mellom de kolliderende partiklene, som må tas hensyn til i analysen av kollisjonene. Videre levitasjon induserer ofte rotasjonsbevegelse 14, som, hvis den uønskede, ikke tillater rotasjon fritt kollisjoner, men, på den annen side, kan også tillate realistiske simuleringer av kollisjoner mellom roterende partikler. I tilfelle av aerodynamisk levitasjon, kan luftpute effekter under kollisjonen indusere uønskede tilstander som ikke samsvarer med de i protoplanetariske disker. Men gjør levitasjon for ubegrenset observasjonstid og repeterbare eksperimenter slik at det må anses som en alternativ til drop tårnet hvis tidsbegrensningen er avgjørende. All vår innsats så langt har vært konsentrert om SiO 2 som en representant for de silikater i bakke-planetdannelse region av unge solsystemer. Da mesteparten av massen av protoplanetariske disker konsentreres utover den kondenspunktet av vann-is, er det nødvendig å også studere kollisjon oppførselen av aggregater bestående av mikrometer-størrelse H 2 O-is korn. Vi er nå sette opp et cryo-vakuum dråpe tårnet for dette formål. Det skal bemerkes at temperaturen i en slik simuleringsforsøk må være under ~ 150 K, som er temperaturen i den såkalte &quot;snø line&quot; i protoplanetariske plater (&quot;Snow line&quot; skiller de indre områder hvor vannet er i damp fase fra de ytre områder hvor det er funnet som fast vann-is). Vi har vist at dannelsen av mikrometer store vann-is partikler er gjennomførbart og at tilslag derav kan produseres 16, slik at vi er optimistiske til å ha første resultatene på deres kollisjon atferd i løpet av de neste 1-2 årene.

Det er generelt akseptert at planetdannelse starter med ikke-gravitasjons opphopning av mikroskopiske støvkorn i større støv tilslag (se anmeldelse av Blum &amp; Wurm) en. Støvpartiklene kolliderer innenfor sine protoplanetariske disker på grunn av Brownske bevegelser, relative drift bevegelser, og turbulens av gassen i skyen (se anmeldelse av Johansen et al.) 2. Ved kollisjonshastigheten er tilstrekkelig lav, støvpartiklene kleber seg sammen til større agglomerater. Et vell av laboratoriemålinger i løpet av de siste årene har ført til en støv-aggregat kollisjon modell som predikerer utfallet av et par støv tilslag med vilkårlige masser og kollisjonshastigheter tre. De grunnleggende collisional resultater stikker (generelt for små samlet massene og lave kollisjonshastigheter), hoppende, og fragmentering (for høy impact hastigheter). Imidlertid overgangene mellom disse faser er ikke skarp, og er det annetutfall, som, for eksempel masseoverføring eller erosjon. Bruk av denne modellen til en typisk protoplanetariske disk spår vekst av cm-sized støv tilslag innen noen få tusen år fire. Tilstedeværelsen av cm-sized støv tilslag har blitt grundig undersøkt av astronomiske observasjoner i løpet av de siste årene, og kan nå betraktes som etablert (se anmeldelse av Testi et al.) 5 slik at vi konkludere med at prinsippet mekanismen som de første makroskopiske legemer hos unge planetsystemer skjemaet har blitt identifisert. Imidlertid er den videre vekst til legemer av minst kilometer størrelser ikke så klart. For terrestrisk-planet regionen, er to hypoteser for tiden diskutert (se også de siste vurderinger på denne saken etter Johansen m.fl. 2 og Testi et al fem..): (I) konsentrasjonen av cm-sized støv tilslag etter, for eksempel streaming ustabilitet 6 og påfølgende Gravitelle kollaps 7,8 og (ii) vekst på noen få &quot;heldige vinnere&quot; til større størrelser med påfølgende masse Tilveksten av masseoverføringsprosessen 9,10,11. I begge modellene cm store støv tilslag gjennomgå et enormt antall gjensidige kollisjoner ved lave til moderate hastigheter. Det er uklart hva de mulige utfall av disse kollisjonene (foruten hoppende) er. For å forbedre støv samlede kollisjonsmodellen ved Güttler et al. 3 og å undersøke nærmere kollisjoner mellom makroskopiske støv aggregater i de aktuelle hastighets regimer, har vi satt opp to rulle tårn i vårt laboratorium, hvor enkelt aggregerte-aggregat kollisjoner kan bli studert i stor detalj under vakuum og mikrogravitasjon forhold. Begge slipp tårnene har en frittfallhøyde på 1,5 m, noe som begrenser observasjonstid til ~ 0,5 sek. Dermed noterer vi kollisjoner med høyhastighetskameraer med megapiksel-format og opptil 7500 bilder per sekund.For maksimal kontrast og høye hastigheter opptak, er lyse-feltet belysning valgt. Belysning er dermed gitt av høy intensitet LED-paneler og homogenisert med diffuser skjermer. Dermed blir høyhastighetskameraer vise kolliderer støv aggregater som mørke objekter foran en opplyst skjerm. For å unngå flimring lysdiodene er DC strømforsyning. For å oppnå lav kollisjons hastigheter, er de to støvaggregatene plasseres over hverandre i en dobbel frigjøringsmekanisme. Frigjøring det øvre aggregat en tid t før de nedre en resulterer i en relativ hastighet på v = gt, med g = 9,81 m / sek 2 er gravitasjonsakselerasjonen av jorden. De to høyhastighetskameraer, som ser kollisjonen fra to retninger 90 ° fra hverandre, blir vanligvis utgitt i mellom de to støv aggregater (typisk t / 2 etter at den øvre partikkel). Kameraene kjøres i kontinuerlig opptaksmodus, som er sagt opp av virkningen av kameraholdere i sand bøtter. Den maksimale bildefrekvensen i denne driftsmodus er 1000 bilder per sekund ved megapikslers oppløsning. Med dette oppsettet, hastigheter ned til under 0,01 m / sek er oppnådd. På grunn av begrensninger i de mekaniske oppsett av dobbeltfrigjøringsmekanisme, er den maksimale relative kollisjonshastighet ~ 3 m / sek. Kollisjoner involverer støv aggregater med opptil 5 cm i størrelse har blitt undersøkt i denne rulle tårnet. For høyere kollisjonshastigheter opp til ~ 10 m / sek, en andre rulletårnet benyttes, som er utstyrt med en elektromagnetisk akselerator som er i stand til problemfritt å akselerere støv samler opp til 5 m / sek i en loddrett oppadgående retning. Den andre støv samlet er holdt av en dobbel-fløyen luke på utløsermekanisme og kan frigjøres rotasjonsfritt i fritt fall til enhver tid. Her er det ikke fornuftig å bruke gratis-fallende kameraer. Vi heller bruke to stasjonære høyhastighetskameraer med opptil 7500 bilder per sekund og megapiksler oppløsning. På grunn av den større Diameteh av denne dråpe tårnet, aggregater støv opp til (og muligens over) 10 cm i størrelse kan anvendes.

<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

For det formål å undersøke utviklingen av støv tilslag i den tidlige solsystemet, utviklet vi to vakuum slipp tårn hvor skjøre støv tilslag med størrelser opp til ~ 10 cm og porøsitet opptil 70% kan kolliderte. En av slipptårn brukes primært for svært lav innvirkning hastigheter ned til under 0,01 m / sek og gjør bruk av en dobbel utløsermekanismen. Kollisjoner er tatt opp i stereo-visning av to høyhastighetskameraer, som faller langs glass vakuumrør i sentrum-of-mass rammen av de to støv aggregater. Den andre fritt-fall-tårnet gjør bruk av en elektromagnetisk akselerator som er i stand til forsiktig å akselerere støv tilslag til opp til 5 m / sek. Sammen med frigjøring av et annet støvsamle til fritt fall, kollisjon hastigheter opp til ~ 10 m / sek kan oppnås. Her, to faste høyhastighetskameraer registrere kollisjon hendelser. I begge slippe tårn, støv aggregatene er i fritt fall under kollisjonen, slik at de er vektløs og matcheforholdene i det tidlige solsystemet.

Ved hjelp av de godt karakterisert støv samlet prøvene beskrevet i protokollen (se figur 1-3), vil en eventuell kollisjon observert i en av laboratorie slipp tårn gi vitenskapelig verdifull informasjon om utfallet av lignende kollisjoner i protoplanetariske disker. Vi har så langt systematisk undersøkt kollisjon utfall av 2 cm størrelse sfæriske støv aggregater (med volum å fylle faktorer på 0,5) i hastighetsområdet mellom 0.008 og 2.02 m / sek 13 og 5 cm store sylindriske støv aggregater (med volum å fylle faktorer mellom 0,3 og 0,5) i hastighetsområdet mellom 0.004 og 2 m / sek 12. Vi fant spretter mellom støv aggregater som den dominerende utfallet for hastigheter under ~ 0,4 m / sek for begge typer støv tilslag (se Movie 6 for et eksempel). I figur 4, er koeffisienten for tilbakeføring av disse spretter kollisjoner vist. Sirklene betegne forsøkene med tocm store sfæriske prøvene 13 og trekanter representerer resultatene fra kollisjoner mellom 5 cm store støv sylindere med to forskjellige pakking tettheter 12. Selv koeffisientene for tilbakeføring av individuelle eksperimenter sprede vidt, gjennomsnittsverdien for koeffisienten for tilbakeføring avtar med økende kollisjonshastighet. Begge støv aggregater typisk fragmentere ved påvirkning for hastigheter over ~ 1 m / sek (se Film 7 for et eksempel). For hastigheter mellom 0,4 og ~ ~ 1 m / sek, kan fragmentering av bare én av de to kolliderende støv aggregater forekommer. I dette tilfelle får den ikke-fragmentering støvsamle noen få prosent av massen av masseoverføring 13.. De ovennevnte hastighetsbegrensningene er ikke skarp, men betegne omtrent hvor grensene mellom de ulike regimene ligge 2,11. For kollisjoner mellom støv aggregater av ulike størrelser og moderate hastigheter, vil konsekvensene vanligvis ikke føre t<html> o fragmentering av den største av de to støv aggregater. På motsatt, de større legemer øke massen ved overføring av en del av massen av de mindre impactors (se film 8). For de tilfeller hvor de to støv aggregater spretter av hverandre, overføring fra det translasjonelle kinetisk energi før kollisjonen (tankene at støv aggregater ikke roterer før kollisjonen) til translatorisk kinetisk energi, rotasjons kinetisk energi, og andre ( dissipativt) energikanaler (f.eks komprimering av støv aggregater) kan bestemmes. Vi har funnet at for sentrale kollisjoner (hvor rotasjonsenergi kan neglisjeres) den relative mengde av effekttapet energi øker sterkt med økende hastighet, og er høyere for lavere volumfyllings faktorer av støvet samler 12.. Denne atferden kan modelleres ved molekylær-dynamikk simuleringer 12. ttps :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Movie en. Høyhastighets filmen (spilt av i sakte film) til partikkelen-on-a-string ( øverst) og luke på utløsermekanismen (nederst). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mold_cluster_cluster.MP4" target="_blank">Movie 2</a> . Høyhastighets filmen (spilt av i sakte film) av dobbel luke på utløsermekanismen. Begge prøvene er klumper av Al 2 O 3 partikler av 2 mm i diameter, som forblir begrenset under fritt fall på grunn av den ekstremt lave forstyrrelse under utgivelse. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/scissor.MP4" target="_blank">Movie 3</a> . Høyhastighets filmen (spilt av i sakte film) av sakse-type dobbel utløsermekanismen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/dw-trapdoor.MP4" target="_blank">Movie</a>4. Høyhastighets filmen (spilt av i sakte film) av to fløyer luke på utløsermekanismen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/trigger.wmv" target="_blank">Movie 5</a> . Animasjon av timeren elektronikk bytte øvre og nedre utløsermekanisme samt kamera utslipp til fritt fall. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/9ms_2.MP4" target="_blank">Movie seks</a> . Høyhastighets filmen (spilt av i sakte film) av en hoppende kollisjon mellom to 5 cm størrelse støv samlet sylindere. De to støv aggregater er utgitt av sakse-type dobbel utløsermekanisme og kolliderer med 0,09 m / sek hastighet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/fragmentation.MP4" target="_blank">Movie 7</a> . Høyhastighets filmen (spilt av i sakte film) av to 2 cm-store sylindriske støv aggregater colliding med en relativ hastighet på 7,4 m / sek. Begge aggregatene fragmentere helt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mass-transfer.MP4" target="_blank">Movie åtte</a> . Høyhastighets filmen (spilt av i sakte film) av en 5 mm-sized støv samlet påvirker en 5 cm-store sylindriske solid mål. Ettersom slaghastighet på 4,3 m / sek er over fragmentering hastigheten av den lille støv-aggregat, bryter denne fra hverandre og overfører en del av sin masse til målet, som er klart synlig i filmen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/tracking_new.mov" target="_blank">Movie 9</a> . Bestemmelse av partikkelbaner etter en halvautomatisk partikkel-tracking algoritmen. Her blir det kollisjon mellom to 2 cm store sfæriske støv tilslag 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 presenterer en teknikk for å oppnå lav hastighet til middels hastighet kollisjoner mellom skjøre støv tilslag i laboratoriet. For dette formålet, har to vakuum drop-tower oppsett blitt utviklet som tillater kollisjonshastigheter mellom &lt;0,01 og ~ 10 m / sek. Kollisjonen hendelser er registrert av høyhastighets bildebehandling.

Laboratory Drop Towers for Experimental Simulering av Dust-aggregerte Kollisjoner i Early Solar System

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

Høsting Solar energi ved hjelp av Charge-Skille 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 av Planetary Interiør differensieringsprosesser 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

Bruke nøytronspinke ekko løst beiteforekomst spredning for å undersøke 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

Rask Imaging teknikken til å studere Drop Impact Dynamics of Non-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

Integrering av en Triplet-triplet Annihilation Up-konvertering system for å øke Dye-sensitivisert Solar Cell Response til Sub-bandgap Lett

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 Fremgangsmåte for fremstilling av en ionisk Lukket Carbon Nanotube Common Cathode 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 av menneskeskapte Vibrations Basert på Preget i Felt Pedestrian 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 Kasjon Doping av CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; For effektiv 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 av fotokatalytiske elektroder for fargesensibiliserte 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 Overvåking av akselerert ytelse degradering av solceller og moduler: en Case studie 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 ...