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;.

ATENÇÃO: Dependendo da perigosidade das partículas usadas, que podem ser encontrados nas fichas de dados de segurança correspondentes, proteção boca e equipamento de segurança deve ser usado pela pessoa que trabalha com a poeira. Recomenda-se também a utilização de um sistema de sucção para manter a livre de pó e ar ambiente. 1. Preparação de amostras de poeira de agregação de tamanho cm <ol><li> Calcula-se a quantidade de material requerido por m = Φ ρ 0 V, onde m é a massa requerida, Φ é o factor volume de enchimento desejado (volume de enchimento = factor de 1 - porosidade), ρ 0 é a densidade do material, e V é o volume da amostra. 77 g de pó de silicato de irregular (ρ 0 = 2,6 g / cm 3) é necessária para conseguir uma porosidade de 70% da amostra (factor de volume de enchimento = 0,3) para obter uma amostra cilíndrica de 5 cm de diâmetro e altura, respectivamente. Nota: A formação de pla terrestreredes começa com a coagulação de grãos de poeira de tamanho micrométrico - predominantemente compostas de silicatos - em corpos porosos porte cm. Um material análogo de laboratório bem estudada e é adequado SiO 2, que está disponível como pó de forma irregular com uma distribuição de tamanhos variando de 0,5 a 10 fim, bem como sob a forma de grãos esféricos monodispersos para melhor comparabilidade de modelos teóricos (ver Tabela 1 e Figura 1). </li></ol><table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="569"><tbody><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;width:161px;"> SiO 2-monômero tipo de grão </td><td style="width:96px;"> Fabricante </td><td style="width:119px;"> Diâmetro da partícula </td><td style="width:95px;"> Forma da partícula </td><td style="width:100px;"> Figura Exemplo </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> Monodisperse </td><td> Micromod </td><td> 1,52 ± 0,06 e# 181; m </td><td> Esférico </td><td> Figura 1 (à esquerda) </td></tr><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;"> Polidisperso </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 0,1-10 mM </td><td> Irregular </td><td> Figura 1 (à direita) </td></tr></tbody></table> Tabela 1. Características do SiO 2 partículas utilizadas nos experimentos de colisão de poeira-agregado. <img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" width="500" /> Figura 1. Imagens de microscopia eletrônica de-da monodispersa (esquerda) e polidisperso (direita) SiO 2 partículas usadas para a produção de agregados de poeira macroscópicos. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <olstart = &quot;2&quot;&gt; <li> Pegue um recipiente com tamanho micrométrico SiO 2 partículas (ver Tabela 1) e despeje o seu conteúdo em uma peneira com um tamanho de malha de 0,5 mm. Peneire a uma quantidade suficiente de material e encher a massa calculada para dentro do molde. Comprimir o material no molde, empurrando um êmbolo com a mão até a altura da amostra é atingido (por exemplo, 5 cm). Vire o molde sobre o pistão, abra a placa de base e empurre a amostra para fora. Nota: As amostras podem ser produzidos em várias formas (esféricas e cilíndricas), tamanhos (1 mm a 10 cm) e porosidades (60-85%) (ver Figura 3). As amostras podem então ser utilizados individualmente nas experiências de colisão ou combinadas em grupos, o que, em seguida, colidem com outros agregados ou aglomerados. </li></ol><img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> Figura 2. Fotografia do. a variação de tamanhos e formas de amostras de pó-agregado Os exemplos a seguir são mostrados: cilindros de pó com 1 cm, 2 cm e 5 cm de diâmetro (fileira de trás), esferas de pó com 1 cm e 2 cm de diâmetro (centro de linha), e 2-3 porte mm Al 2 O 3 esferas (frente). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <ol start="3"><li> Caracterizar as amostras no que diz respeito a porosidade e homogeneidade. Se as amostras de cair fora margens permitidos, produzir novas amostras. <ol><li> A fim de determinar a porosidade da amostra de pó, determinar o seu volume medindo as suas dimensões e a sua massa por meio de um equilíbrio preciso. </li><li> Use tomografia de raios X (XRT) 12 para obter informação sobre a homogeneidade e distribuição de poros de tamanho da amostra produzida. Nota: Para os cinco centímetros porte agregados de poeira, encontramos desvios de encher o volume médio factor, isto é, a razão entre a densidade de massa da amostra e a densidade do material das partículas de pó-de monómeros, de apenas cerca de 1% no interior da maior parte do volume de amostra, e um aumento ligeiramente maior do factor volume de enchimento até 8% para os limites exteriores 12. Figura 3 mostra uma reconstrução XRT de um corte através de um agregado cilíndrico de pó de 5 cm de diâmetro e de 5 cm de altura. Nós não usamos XRT para cada agregado poeira, mas examinar a estrutura interna e homogeneidade das amostras aleatórias. </li></ol></li></ol><img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> Figura 3. Reconstrução da estrutura interna de uma amostra cilíndrica de pó agregado de 5 cm de altura e diâmetro de 5 cm, após análise XRT. A escala cinza indica o factor de enchimento de volume, o que é a razão entre a densidade de massa de tele provar e a densidade do material das partículas de monômero de poeira. A partir da reconstrução XRT, é claramente visível que esta amostra de alta porosidade foi montado utilizando agregados de poeira porte mm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 2. Princípio da instalação Gota Torre <ol><li> Mecanismos de liberação: Na parte superior da torre de queda de dois mecanismos de libertação estão ligados um em cima do outro. Cada um deles tem uma amostra e libera-lo em queda livre. A diferença de tempo entre o lançamento da parte superior e inferior da partícula determina a velocidade relativa da colisão. De acordo com a morfologia e a forma das partículas, os mecanismos de libertação adequados são escolhidos. Se um mecanismo de aceleração de partículas é usado, é necessário apenas um mecanismo de liberação. <ol><li> Mecanismo de liberação Particle-on-a-string (amostras esféricas, upppartícula er): Este mecanismo de liberação consiste em um ímã solenóide linear e um contador de peças de metal sólido. <ol><li> Prenda a partícula a ser lançado para uma string. Segure a corda no lugar, fixando-o entre o ímã solenóide e do contador de peças de metal sólido. </li><li> Para liberar a partícula, aplicar uma corrente elétrica para o ímã do solenóide (ver filme 1). </li></ol></li><li> Alçapão mecanismo de liberação (amostras esféricas, menor partícula): Este mecanismo de liberação consiste em um ímã solenóide rotativo para que um titular de partícula está conectado. <ol><li> Colocar a partícula em um molde semi-esférica, a qual é rodada para baixo por um solenóide rotativo quando uma corrente eléctrica é aplicada (ver filme 1). </li><li> Este mecanismo pode também ser usado para a libertação de grupos de partículas ou aglomerados de agregação. Neste último caso, montar dois mecanismos de liberação trap-door acima uns aos outros (ver filme 2). </li></ol&gt; </li><li> Mecanismo do tipo tesoura lançamento duplo (amostras cilíndricas): Este mecanismo de libertação é constituída por dois pares de solenóides rotativos ímanes ao qual uma haste de metal está ligado. Os dois magnetos de solenóide de cada mecanismo de libertação são colocados de tal modo que as duas barras de metal são paralelos. <ol><li> Posicionar as duas amostras sobre as duas hastes paralelas, cada uma. </li><li> Aplicar uma corrente elétrica para os dois solenóides rotativos para liberar as partículas em queda livre. (Ver filme 3). </li></ol></li><li> Mecanismo duplo de asa liberação alçapão (amostras cilíndricas, em combinação com o mecanismo de aceleração de partículas): Este mecanismo de libertação é constituído por duas placas de metal com mola, os quais em conjunto formam um suporte de partículas em forma de v. As duas placas de metal são mantidos no lugar por uma barra de metal, que é ligada a um imã solenóide rotativo. <ol><li> Coloque a amostra de pó cilíndrico para o alçapão fechado. </li><li> Desbloqueie o alçapão, aplicandouma corrente elétrica para o ímã do solenóide. Para evitar saltando para trás das portas, freios de correntes de Foucault detê-los (ver filme 4). Nota: É importante para libertar as partículas em queda livre, sem velocidade inicial e rotação. Para este efeito, vários mecanismos de libertação têm sido desenvolvidos (2.1.1 - 2.1.4). </li></ol></li></ol></li><li> Mecanismos de aceleração de partículas: Acelera as partículas ou por uma mola pré-carregada ou por uma fase linear dirigido electro-magnética. Ambos os aceleradores podem ser equipados com porta-amostras de partículas de forma diferente. </li> <li> Eletrônica de controle: Ajustar o cronômetro e liberar eletrônica para os valores adequados para atingir a velocidade de colisão desejado e para operar a câmera em um quadro de centro de massa. Nota: O momento da libertação de partículas, de aceleração de partículas e liberação da câmera é realizada por um conjunto de temporizadores eletrônicos, cuja funcionalidade é explicada em Movie 5. </li></ol> 3. Realização de experimentos <ol><li> Colisões de baixa velocidade (pequena torre queda): <ol><li> Amostras de carregar no tipo tesoura mecanismo de liberação de casal e próximo tubo de vidro a vácuo. </li><li> Comece a evacuação e definir os parâmetros do temporizador. </li><li> Anexar câmeras para suas unidades de libertação magnéticos. Iniciar a gravação da câmera contínua. Nota: Devido à alta intensidade de iluminação de campo brilhante LED, um tempo de exposição suficientemente curto da câmara de alta velocidade podem ser escolhidos de modo que o movimento das partículas durante a exposição é negligenciável. Em cima disso, o f-stop da objetiva da câmera deve ser definida para valores altos o suficiente para estender a profundidade de foco ao longo de todo o diâmetro da torre de queda. </li><li> Quando a qualidade de vácuo desejado for atingido, ligar a iluminação, pressione o botão de início e fazer o download das sequências de imagens. </li></ol></li><li> Colisões de alta velocidade (grande torre queda): <ol><li> Amostras de carga na dupla vitóriag mecanismo alçapão liberação e acelerador e fechar o tubo de vidro a vácuo. </li><li> Comece a evacuação e definir os parâmetros do temporizador. </li><li> Iniciar a gravação da câmera contínua. Quando a qualidade de vácuo desejado for atingido, ligar a iluminação e pressione o botão start. Faça o download das sequências de imagens. Nota: Devido à alta intensidade de iluminação de campo brilhante LED, um tempo de exposição suficientemente curto da câmara de alta velocidade podem ser escolhidos de modo que o movimento das partículas durante a exposição é negligenciável. Em cima disso, o f-stop da objetiva da câmera deve ser definida para valores altos o suficiente para estender a profundidade de foco ao longo de todo o diâmetro da torre de queda. </li></ol></li></ol> 4. Experiências Exemplo <ol><li> Coloque as amostras cuidadosamente no mecanismo de liberação apropriado. <ol><li> Colisões de baixa velocidade (mecanismo de liberação dupla; 0,09 m / seg): 5 cm vs 5 centímetros, saltando. Coloque as amostras em dois mecanismos de liberação do tipo tesoura. Paraatingir velocidades de colisão de 0,09 m / s, coloque a partículas de 7 milímetros de distância e definir o tempo de atraso dos mecanismos de liberação de 9 ms. Nota: Neste velocidade de impacto, as amostras de poeira saltar longe um do outro após a colisão. A sequência de imagens é capturado por uma câmera de alta velocidade em queda livre (ver filme 6). </li> <li> Colisões de alta velocidade (acelerador eletromagnético; 7,4 m / s): 2 cm vs 2 cm, a fragmentação. Coloque uma amostra para o mecanismo de liberação alçapão duplo de asa; colocar a outra amostra no suporte de amostras do acelerador linear-fase. Nota: Para alcançar velocidades de colisão de 7.4 m / s, o menor agregado de poeira é bem acelerado para cima com 2 g, enquanto, simultaneamente, o agregado de pó superior cai. A uma velocidade relativa de 7,4 m / seg, o fragmento de amostras de pó (ver filme 7). </li> <li> Colisão em alta velocidade de pequenos agregados em grandes agregados: 0.5 cm vs 5 cm, de transferência de massa. ª Cargae grande amostra para um mecanismo do tipo tesoura libertação; colocar a amostra de menor no suporte de amostras do acelerador de mola. Nota: Para alcançar velocidades de colisão necessários para a transferência de massa, menor agregado poeira é bem acelerado para cima, ao mesmo tempo, o agregado de pó superior cai. Neste velocidade relativa, os fragmentos menores de amostra e transferências uma pequena quantidade de massa para a amostra de maior. À medida que a câmara desce ao longo da (mais maciça) partícula superior, as imagens captadas pela câmara de alta velocidade dar a impressão de uma grande partícula mais ou menos em repouso (ver filme 8), o que não é verdade, visto a partir do lado de fora de a torre de queda. </li></ol></li><li> Feche o tubo de vidro a vácuo. </li><li> Abrir a válvula de vácuo com cuidado para as bombas para iniciar a evacuação lenta e definir os parâmetros de temporizador para a diferença de tempo requerido para a velocidade de colisão desejada. </li><li> Anexar câmeras para suas unidades de libertação (se câmeras em queda livre são utilizados).Iniciar a gravação da câmera contínua e ligue a iluminação. </li><li> Quando a qualidade de vácuo desejado for alcançado, pressionar o botão de liberação para iniciar a seqüência de timer. </li><li> Faça o download das sequências de imagens gravadas pelas câmeras de alta velocidade para um computador. </li></ol> 5. Análise de Dados <ol><li> Escolha um valor de cinza limiar adequado entre o fundo eo valor de cinza dos objetos. Criar uma imagem binária com base nesse limite, definindo pixels com valores de cinza acima do limiar de (valor binário 1) branco e pixels com valores de cinza mais baixos para preto (valor binário 0). </li><li> Determinar a posição do centro das partículas de massa em cada uma das imagens. Uma boa aproximação para determinar o centro de massa de partículas é simétrica no centro da área projectada. Este é calculado a partir de imagens binarizadas. </li><li> Utilizar a posição relativa dos centros de massa dos objectos e a informação de tempo a partir das imagens da câmara para calcular ovelocidade relativa (ver filme 9). As inclinações da curva de posição são mostrados no lado direito do Movie 9. <ol><li> Em caso de uma colisão recuperando, determinar as velocidades relativas antes e depois do contato. Calcular o coeficiente de restituição, isto é, a razão entre a velocidade após a colisão e antes. Traçar a velocidade relativa em relação ao coeficiente de restituição. Um exemplo desta análise é mostrado na Figura 4. </li></ol></li></ol><img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" width="500" /> Figura 4. Exemplo de análise de saltar colisões. Se o coeficiente de restituição, isto é, a razão entre a velocidade de ressalto e a velocidade de impacto, é representada em função da velocidade de colisão. Círculos mostram dados para agregados de poeira esféricas de 2 cm diâmetroster 13 (ver Figura 2), triângulos denotam colisões entre agregados cilíndricos de pó de 5 cm de diâmetro e 5 cm (ver Figura 2) e dois fatores de enchimento de volume diferentes de 0,3 e 0,4, respectivamente 12. Os dados mostram uma tendência de diminuição do coeficiente de restituição com o aumento da velocidade de impacto. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <ol start="2"><li> Se uma ou ambas as partículas fragmento, determinar os tamanhos de como muitos dos maiores fragmentos possível, medindo suas respectivas áreas projetadas e assumindo formas apropriadas. <ol><li> Se ocorre a fragmentação de uma única partícula, geralmente transfere uma certa quantidade de massa para a sua sobrevivência partícula. Determinar a quantidade de massa transferida através da medição do volume acrescido, assumindo uma forma e porosidade adequadas para quantificar a massa transfer a eficiência. </li></ol></li></ol>

<ol>
	<li>Blum, J., Wurm, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Growth+Mechanisms+of+Macroscopic+Bodies+in+Protoplanetary+Disks.">The Growth Mechanisms of Macroscopic Bodies in Protoplanetary Disks.</a> Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 46, 21-56 (2008).</li><li>Johansen, A., Blum, J., Tanaka, H., Ormel, C. W., Bizzarro, M., Rickman, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Multifaceted+Planetesimal+Formation+Process.">The Multifaceted Planetesimal Formation Process.</a> Protostars &amp; Planets VI. University of Arizona Space Science Series. , (2014).</li><li>Blum, J., Zsom, A., Ormel, C. W., Dullemond, C. 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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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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. 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Preparation, critical rolling friction force, and specific surface energy.</a> Icarus. 214, 717-723 (2011).</li></ol>

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Devido à alta precisão mecânica, a taxa de falha de ambas as torres de queda é extremamente baixo. Isto é de extrema importância, pois a preparação da amostra pode demorar até várias horas, dependendo do tamanho, forma e porosidade dos agregados de pó desejados. Deve ser mencionado que grandes agregados de pó com muito altas porosidades são extremamente frágil e, portanto, difícil de manipular. Pode ocorrer que esses agregados de poeira quebrar durante a extração fora do molde ou transferência para a torre de queda. Nestes casos, uma nova amostra tem que estar preparado. Assim, é importante que a pequena torre gota permite velocidades de colisão fiáveis ​​(e previsíveis) até 0,01 m / seg 11,13. A velocidade mais baixa impacto até agora alcançado foi de 0,004 m / s. Estas pequenas velocidades de impacto só pode ser alcançado por partículas livres em um ambiente de microgravidade. A torre de queda de laboratório é uma realização barato e versátil de uma instalação desse tipo de microgravidade. Alternative métodos para atingir velocidades baixas de impacto faz uso de técnicas de levitação 14,15 (por exemplo, por levitação electromagnética ou aerodinâmico) mas geralmente induzem uma força entre as partículas colidem, que tem de ser tido em conta na análise de colisões. Além disso, muitas vezes, induz a levitação movimento de rotação 14, que, se não desejado, não permite colisões sem rotação, mas, por outro lado, pode até permitir simulações realistas de colisões entre partículas rotativas. Em caso de levitação aerodinâmico, os efeitos sobre almofadas de ar durante a colisão pode induzir condições indesejadas que não coincidem com aqueles em discos protoplanetários. No entanto, levitação permite o tempo de observação limitada e experiências repetitivas de modo que tem que ser considerada como uma alternativa para a torre de queda se o limite de tempo é essencial. Todos os nossos esforços até agora têm se concentrado em SiO 2 como um representante dos silicatos no terrestre do planeta formação region de jovens Sistemas Solares. Como a maior parte da massa dos discos protoplanetários é concentrada para além do ponto de condensação da água de gelo, é também essencial para estudar o comportamento de colisão de agregados constituídos por grãos de H 2 O-gelo micrometros de tamanho. Estamos actualmente a criação de uma torre de queda de crio-vácuo para esta finalidade. Deve ser notado que as temperaturas em tais experiências de simulação deve ser inferior a ~ 150 K, que é a temperatura da assim chamada &quot;linha de neve&quot; em discos protoplanetários (a &quot;linha de neve&quot; divide as regiões interiores, em que a água está na forma de vapor fase das regiões exteriores onde se encontra como o gelo de água sólida). Nós mostramos que a formação de partículas de água de gelo do tamanho micrometros de é viável e que os agregados da mesma podem ser produzidas 16 de modo que estamos otimistas para ter os primeiros resultados sobre o seu comportamento de colisão nos próximos 1-2 anos.

É geralmente aceite que a formação de planetas começa com o acúmulo não-gravitacional da microscopicamente pequenos grãos de poeira em agregados de poeira maiores (ver revisão por Blum &amp; Wurm) 1. As partículas de poeira colidem dentro de seus discos protoplanetários devido ao movimento browniano, movimentos de deriva relativos, ea turbulência do gás nebular (ver revisão por Johansen et al.) 2. Se as velocidades de colisão são suficientemente baixo, as partículas de pó se unem para formar aglomerados maiores. Uma grande variedade de medições em laboratório ao longo dos últimos anos levaram a um modelo de colisão de pó agregado que prediz o resultado de um par de agregados de poeira com massas arbitrárias e velocidades de colisão 3. Os resultados de colisões básicas estão aderindo (em geral para pequenas massas agregadas e baixas velocidades de colisão), saltando, e fragmentação (para velocidades de alto impacto). No entanto, as transições entre estas fases não são afiados e existem outrosresultados, como, por exemplo, transferência de massa ou erosão. Aplicando este modelo a um disco protoplanetário típico prevê o crescimento dos agregados de poeira porte centímetros dentro de alguns milhares de anos 4. A presença de agregados de poeira porte centímetros tem sido extensivamente investigado por observações astronômicas ao longo dos últimos anos e pode agora ser considerado como estabelecido (ver revisão por Testi et al.) 5 do que se conclui que o princípio mecanismo pelo qual os primeiros corpos macroscópicos em sistemas planetários jovens formulário foi identificado. No entanto, o maior crescimento de corpos de pelo menos tamanhos km não é tão clara. Para a região terrestre do planeta, duas hipóteses estão a ser discutidos (ver também os comentários recentes sobre este assunto por Johansen et al 2 e Testi et al 5..): (I) a concentração dos agregados de poeira de tamanho cm por, por exemplo, o streaming de instabilidade 6 e Gravit subseqüentecolapso acional 7,8 e (ii) crescimento de alguns &quot;vencedores&quot; para tamanhos maiores, com posterior crescimento da massa pelo processo de transferência de massa 9,10,11. Em ambos os modelos, os agregados de poeira porte cm sofrer um enorme número de colisões mútuas em baixa a velocidades moderadas. Não está claro o que os possíveis resultados dessas colisões (além de pular) são. Para melhorar o modelo de colisão de pó agregado por Güttler et al. 3 e investigar mais detalhadamente as colisões entre os agregados de poeira macroscópicas nos regimes de velocidade relevantes, montamos duas torres de queda em nosso laboratório, em que as colisões agregado-agregado individuais podem ser estudado em grande detalhe em condições de vácuo e de microgravidade. Ambas as torres de queda possuir uma altura de queda livre de 1,5 m, o que limita o tempo de observação para ~ 0,5 seg. Assim, podemos observar as colisões por câmeras de alta velocidade, com formato megapixel e até 7.500 quadros por segundo.Para obter o máximo de contraste e altas velocidades de gravação, iluminação de campo claro é escolhido. A iluminação é assim proporcionado por alta intensidade painéis LED e homogeneizada por telas do difusor. Assim, as câmeras de alta velocidade ver a poeira colidindo agrega objetos escuros na frente de uma tela iluminada. Para evitar a cintilação, os LEDs são DC. Para alcançar baixas velocidades de colisão, os dois agregados de pó são colocadas uma sobre a outra em um mecanismo de libertação dupla. Soltar o agregado superior um tempo de t antes de o inferior resulta numa velocidade relativa v = gt, com 9,81 g = sendo m / s 2 a aceleração gravitacional da Terra. As duas câmaras de alta velocidade, que encaram a colisão de duas direcções de 90 ° entre si, são normalmente libertados entre os dois agregados de pó (tipicamente t / 2 após a partícula superior). As câmeras de executar em modo contínuo de gravação, que é encerrado pelo impacto da câmeratitulares em baldes de areia. A taxa máxima de quadros neste modo de operação é de 1.000 imagens por segundo com resolução megapixel. Com esta configuração, velocidades até abaixo de 0,01 m / s foram alcançados. Devido a limitações de configuração mecânica do mecanismo de libertação dupla, a velocidade máxima de colisão relativa é ~ 3 m / seg. Colisões envolvendo agregados de poeira com até 5 cm de tamanho foram investigados nesta torre de queda. Para velocidades de colisão elevadas até ~ 10 m / seg, uma segunda torre de queda é utilizado, o qual está equipado com um acelerador electromagnético, que é capaz de acelerar suavemente pó agrega até 5 m / s, numa direcção vertical ascendente. O outro agregado pó é realizada por um mecanismo de liberação alçapão duplo de asa e pode ser liberado sem rotação em queda livre, em determinado momento. Aqui, não faz sentido usar câmeras em queda livre. Nós preferimos usar duas câmeras de alta velocidade estacionárias com até 7.500 quadros por segundo e resolução megapixel. Devido à maior diameter desta torre de queda, poeira agrega-se para (e possivelmente acima) de 10 cm de tamanho podem ser utilizadas.

<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

Com a finalidade de investigar a evolução dos agregados de poeira no sistema solar precoce, desenvolvemos duas torres de queda de vácuo no qual os agregados de poeira frágeis com tamanhos de até ~ 10 cm e porosidades até 70% pode ser colidiram. Uma das torres de queda é utilizado principalmente para velocidades muito baixas de impacto para baixo para menos de 0,01 m / seg e faz uso de um mecanismo de libertação dupla. Colisões são gravados em estéreo-view por duas câmeras de alta velocidade, que caem ao longo do tubo de vácuo de vidro na estrutura de centro de massa dos dois agregados de poeira. A outra torre de queda livre faz com que o uso de um acelerador electromagnético, que é capaz de acelerar suavemente agregados de pó de até 5 m / seg. Em combinação com o lançamento de um outro agregado pó para queda livre, colisão velocidades de até ~ 10 m / seg pode ser alcançado. Aqui, duas câmeras de alta velocidade fixa registrar os eventos de colisão. Em ambas as torres de queda, os agregados de pó estão em queda livre durante a colisão, de modo que eles não têm peso e combinar ocondições do sistema solar precoce.

Usando as amostras de poeira-agregado bem caracterizados descritos no protocolo (ver Figuras 1-3), qualquer colisão observada em uma das torres de queda laboratório trará informações cientificamente valiosas sobre os resultados de colisões semelhantes em discos protoplanetários. Temos até agora sistematicamente investigados os resultados da colisão de 2 cm de tamanho de agregados de poeira esféricos (com um volume de 0,5 fatores de enchimento) na faixa de velocidade entre 0,008 e 2,02 m / s 13 e 5 cm de tamanho de agregados de poeira cilíndricos (com volume de fatores de enchimento entre 0,3 e 0,5) na gama de velocidade de entre 0,004 e 2 m / seg 12. Encontramos saltando entre os agregados de poeira como o resultado dominante para velocidades inferiores a ~ 0,4 m / s para ambos os tipos de agregados de poeira (ver filme 6, por exemplo). Na Figura 4, o coeficiente de restituição destas colisões que saltam é mostrado. Os círculos indicam as experiências com doisamostras de tamanho 13 cm esféricas e os triângulos representam os resultados de colisões entre cinco centímetros cilindros poeira porte, com duas embalagens diferentes densidades 12. Embora os coeficientes de restituição de experiências individuais dispersam largamente, o valor médio do coeficiente de restituição diminui com o aumento da velocidade de colisão. Ambos os agregados de poeira normalmente fragmentar no momento do impacto para velocidades acima de ~ 1 m / s (ver filme 7 para um exemplo). Para velocidades entre 0,4 e ~ ~ 1 m / seg, a fragmentação de um e apenas um dos dois colidindo agregados de pó pode ocorrer. Neste caso, a não fragmentar agregado pó adquire uma pequena percentagem de massa por transferência de massa 13. Os limites de velocidade acima mencionadas não são nítidas, mas denotam aproximadamente onde as fronteiras entre os diferentes regimes de mentir 2,11. Para colisões entre agregados de pó de diferentes tamanhos e velocidades moderadas, os impactos geralmente não vai levar t<html> o da fragmentação do maior dos dois agregados de poeira. Ao contrário, os corpos maiores aumentar a sua massa por transferência de parte da massa dos pêndulos menores (ver filme 8). Para os casos, em que os dois agregados de pó ricocheteiam um do outro, a transferência da energia cinética de translação antes da colisão (mente que os agregados de pó não rodar antes da colisão) em energia cinética de translação, a energia cinética de rotação, e a outra ( dissipativo) canais de energia (por exemplo, a compactação dos agregados de pó) pode ser determinada. Descobrimos que, para as colisões centrais (na qual a energia de rotação pode ser desprezada) a quantidade relativa de energia dissipada aumenta fortemente com o aumento da velocidade e é maior para os elementos de enchimento mais baixas do volume do pó agrega 12. Este comportamento pode ser modelado pelo de dinâmica molecular simulações 12. TTP :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Filme 1. filme de alta velocidade (reproduzidos em câmera lenta) da partícula-on-a-string ( superior) e mecanismo de liberação alçapão (parte inferior). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mold_cluster_cluster.MP4" target="_blank">Filme 2</a> . filme de alta velocidade (reproduzidos em câmera lenta) do mecanismo de dupla liberação alçapão. Ambas as amostras são aglomerados de Al 2 O 3 partículas de 2 mm de diâmetro, que permanecem confinados durante a queda livre devido ao extremamente baixa perturbação durante a liberação. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/scissor.MP4" target="_blank">Filme 3</a> . filme de alta velocidade (reproduzidos em câmera lenta) do tipo tesoura mecanismo de liberação dupla. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/dw-trapdoor.MP4" target="_blank">Filme</a>4. Filme de alta velocidade (reproduzidos em câmera lenta) do mecanismo de liberação alçapão duplo de asa. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/trigger.wmv" target="_blank">Filme 5</a> . Animação da eletrônica temporizador de comutação o mecanismo de liberação superior e inferior, bem como o lançamento da câmera para queda livre. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/9ms_2.MP4" target="_blank">Filme 6</a> . filme de alta velocidade (reproduzidos em câmera lenta) de uma colisão entre dois saltando 5 cilindros de poeira-agregado de tamanho cm. Os dois agregados de poeira são liberados pelo tipo tesoura mecanismo de liberação de casal e colidir com 0,09 m / s de velocidade. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/fragmentation.MP4" target="_blank">Filme 7</a> . filme de alta velocidade (reproduzidos em câmera lenta) de dois agregados de poeira cilíndricas dois centímetros porte colliding a uma velocidade relativa de 7,4 m / seg. Ambos os agregados fragmentar completamente. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mass-transfer.MP4" target="_blank">Filme 8</a> . filme de alta velocidade (reproduzidos em câmera lenta) de um agregado 5 poeira porte mm impactar um alvo sólido cilíndrico cinco centímetros de tamanho normal. À medida que a velocidade de impacto de 4,3 m / seg está acima da velocidade de fragmentação do agregado fino pó, este rompe e transfere parte da sua massa para o alvo, o que é claramente visível no filme. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/tracking_new.mov" target="_blank">Filme 9</a> . Determinação das trajectórias das partículas através de um algoritmo de seguimento de partículas semi-automática. Aqui, a colisão entre dois 2 agregados poeira esféricas de tamanho cm é mostrado.

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

Nós apresentamos uma técnica para obter baixa velocidade a colisões de velocidade intermediária entre agregados de poeira frágeis em laboratório. Para esta finalidade, duas vácuo gota-torre configurações têm sido desenvolvidas que permitem velocidades de colisão entre &lt;0,01 e ~ 10 m / seg. Os eventos de colisão são registrados por imagens em alta velocidade.

Laboratório Gota Torres para a Simulação Experimental de Colisões Dust-agregados no sistema solar precoce

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

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