Name: simulation of early earth hydrothermal chimneys in a thermal gradient environment
Uploaded: 2021-02-27T14:00:00
Duration: 6 min 29 s
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Diese Forschung wurde am Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, im Rahmen eines Vertrags mit der NASA durchgeführt, der vom NASA Astrobiology Institute Icy Worlds unterstützt wurde. Dr. Gabriel LeBlanc wurde teilweise durch einen Research Initiation Grant (2017-34) im Rahmen des Oklahoma NASA EPSCoR Cooperative Agreement (NNX15AK42A) unterstützt. Wir danken Heather Whitehead für die Unterstützung beim ersten 3D-gedruckten Kondensatordesign, Kalind Carpenter für die Unterstützung beim 3D-Druck, John-Paul Jones für die hilfreiche Diskussion über Kondensatorgefäße, Laura Rodriguez für die Hilfe bei der Temperaturdatenanalyse und Erika Flores mit Laborunterstützung. Copyright 2020 California Institute of Technology.

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Die Autoren haben nichts preiszugeben.

Einfluss thermischer Gradienten auf simuliertes Schornsteinwachstum:Diese experimentelle Apparatur ergab mehrere Variationen in der Schornsteinmorphologie, die auf mehrere experimentelle Parameter zurückzuführen waren. Schornsteine aus Eisensulfid und Eisenhydroxid bildeten bei Raumtemperatur hohe aufrechte Strukturen, bildeten aber in den thermischen Gradientenexperimenten schwächere, strähnige Ausfällungen oder flache Hügel. Dies entsprach den Ergebnissen von Herschy et al., wo aus einer auf 70-80 °C erhitzten hydrothermalen Flüssigkeit weiche, nicht aufrechte Schornsteinausfällungen gebildet und in raumtemperaturiges Ozeansimulanzlösemittel33injiziert wurden. Dafür gibt es verschiedene mögliche Erklärungen: Konvektive Wärmeübertragung kann dazu führen, dass mehr natürliche Auftriebskräfte (zusammen mit dem erzwungenen Pumpen der Injektion) den Niederschlag schnell in Richtung der Spitze des Ozeanschiffs fließen lassen, während es sich bildet. Alternativ macht das Erhitzen der Spritzenflüssigkeit das hydrothermale Simulanzlösemittel weniger dicht und damit anfälliger für vertikales Ansteigen als für eine Stabilisierung auf der Injektionsstelle. Es ist möglich, dass dieser Effekt gemildert werden könnte, indem die Spritzeninjektionsrate auf langsamere Raten geändert wird, um das Wachstum einer stabileren Struktur zu ermöglichen. White et al. untersuchten das Wachstum von Eisensulfidschornsteinen mit dem hydrothermalen Simulant, das mit extrem langsamen Raten (0,08 ml / h) injiziert wurde, und obwohl der Schornstein Tage brauchte, um zu verschmelzen, war er strukturell stabil13. Da Herschy et al. Peristaltikpumpen mit Einspritzraten von 10-120 ml/h verwendeten, was mehrere Größenordnungen schneller ist als die in unseren thermischen Gradientenexperimenten verwendeten Raten, ist es nicht verwunderlich, dass sie auch stringartige Schornsteinstrukturen erzeugten33.
Höhere Konzentrationen von niederschlagenden Reaktanten im Ozean und Entlüftungslösungen können auch robustere Schornsteine in thermischen Gradienten ergeben. Höhere chemische Konzentrationen von ausfällenden Ionen (Sulfid oder Hydroxid) in der hydrothermalen Flüssigkeit oder dem Ozeansimulant können zu einer höheren Gesamtausfällungsmasse führen und so eine stärkere Struktur schaffen. Da Herschy et al. und White et al. niedrigere Sulfidkonzentrationen in der hydrothermalen Flüssigkeit (10 mM) verwendeten, waren ihre Strukturen kleiner als die, die in dieser Arbeit mit höheren (20-50 mM) Sulfidkonzentrationen hergestellt wurden. Darüber hinaus haben einige Studien des Eisensulfid-Schornsteinwachstums auch Kieselsäure in der hydrothermalen Flüssigkeit zusammen mit dem Natriumsulfid eingeschlossen, was dazu beitragen kann, robustere Schornsteine zu erzeugen3,13,33. Chemische Gartenstrukturen mit Kieselsäure wurden auch verwendet, um Aspekte des hydrothermalen Schornsteinwachstums34zu simulieren, und diese neigen dazu, sehr robuste Strukturen zu erzeugen, die für die physikalische Analyse aus dem Rohr / Fläschchen entfernt werden können. Die Auswirkungen von Temperaturgradienten auf Silica-Injektionsstrukturen sind jedoch nicht bekannt und werden ein weiteres Untersuchungsgebiet sein.
Überlegungen für zukünftige Schornsteinsimulationsexperimente:Der in dieser Studie zur Kühlung des Ozeanschiffs erstellte 3D-gedruckte Kondensator wirkte wie ein ummanteltes Reaktionsgefäß, jedoch mit einigen praktischen Verbesserungen: 1) Die offene Oberseite ermöglichte die Probenahme des Schornsteins und die Aufrechterhaltung des anoxischen Ozeankopfraums; 2) das 3D-gedruckte Teil verleiht eine einfache Reproduzierbarkeit; 3) Da die Designs digital bearbeitet werden können, kann das Gerät auf Wunsch schnell modifiziert und neu gedruckt werden; und 4) die Verwendung kostengünstiger Materialien machte jeden Kondensator kostengünstiger als die eigentlichen glasummantelten Reaktionsgefäße. Diese 3D-gedruckten Kondensatoren sind ein flexibler und leicht zu teilender experimenteller Apparat, der eine nützliche Möglichkeit sein könnte, Plattformen für simulierte hydrothermale Schornsteinexperimente über verschiedene Forschungsgruppen hinweg zu standardisieren und einen besseren Vergleich von Proben und Daten zu ermöglichen. Dateien des Kondensators können an Kollegen gesendet werden, um sie für ihre pädagogischen oder wissenschaftlichen Zwecke selbst zu drucken (siehe Ergänzende 3D-Druckdatei des in dieser Arbeit verwendeten Kondensators). Dieses kostengünstige Setup könnte auch als Laborexperiment für chemische Gärten oder Chemobrionics verwendet werden29,35.
Abschließend beschreibt diese Arbeit eine neuartige experimentelle Apparatur, die 3D-Druck verwendet, um das Wachstum simulierter hydrothermaler Schornsteine in Temperaturgradientenumgebungen zu erleichtern. Der 3D-gedruckte Kondensator ist in der Lage, das Ozeansimulanzmittel auf Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt zu kühlen, ähnlich wie das Meerwasser in der Nähe von hydrothermalen Systemen am Meeresboden. In der Zwischenzeit wurde eine beheizte Spritze verwendet, um die hydrothermale Hochtemperaturflüssigkeit zu simulieren, die in diesen kalten Ozean injiziert wird. Die Morphologien und Strukturen von Eisensulfid- und Eisenhydroxidschornsteinen wurden durch den thermischen Gradienten beeinflusst: Wenn sowohl der Ozean als auch die hydrothermalen Flüssigkeitssimulanzien Raumtemperatur hatten, bildeten die Schornsteine vertikal ausgerichtete Strukturen, aber wenn die hydrothermale Flüssigkeit erhitzt und der Ozean abgekühlt wurde, wurde die Bildung robuster Schornsteinstrukturen gehemmt. Um präbiotische Reaktionen in solchen Schornsteinsystemen mit thermischen Gradienten analog zu natürlichen Systemen genau zu simulieren, müssen Parameter wie die Injektionsrate und die chemische Zusammensetzung von Schlot- und Ozeansimulanzien sorgfältig kontrolliert werden. Der für diese Studie erstellte kundenspezifische und kostengünstige 3D-gedruckte Kondensator ähnelt in seiner Funktion einem ummantelten Reaktionsgefäß und kann leicht modifiziert und elektronisch an verschiedene Forschungs- und Bildungsgruppen verteilt werden, um sie in vielen Arten von chemobrionischen Experimenten zu verwenden.

Hydrothermale Schornsteine sind selbstorganisierende chemische Gartenausfällungen, die aus geochemischen Ungleichgewichten in Tiefsee-Schlotumgebungen erzeugt werden, wenn erwärmte, hydrothermal veränderte Flüssigkeit in einen kälteren Ozean sickert. In einem frühen Erdszenario wurde vorgeschlagen, dass sich die Schornsteine an alten alkalischen Schloten gebildet haben und dass die Transektierung von pH/Redox/chemischen Gradienten in der Umgebung Reaktionen auf die Entstehung des Stoffwechsels1,2,3, 4,5,6verursacht haben könnte . Hydrothermale Quellen wurden auch auf anderen Planeten postuliert, einschließlich der Ozeanwelten, Europa und Enceladus 7,8,9,10. Verschiedene Experimente wurden durchgeführt, um Aspekte der vorgeschlagenen präbiotischen hydrothermalen Schornsteinchemie zu simulieren, einschließlich der Ausfällung katalytischer Eisensulfidmineralien, die CO211,12reduzieren könnten, gradientengetriebene organischeSynthese 13,14,15und Einbau organischer Stoffe in Schornsteinstrukturen16. Bei der Erstellung von Versuchsaufbauten zur Nachahmung hydrothermaler Quellen, sei es auf der Erde oder auf anderen Welten, ist es wichtig, die geochemischen Gradienten und die offene, weit vom Gleichgewicht entfernte Natur des Systems zu berücksichtigen, um realistische Simulationen zu erstellen.
Zusätzlich zu pH-Wert, Redox und chemischen Gradienten verursachen hydrothermale Quellen auch einen thermischen Gradienten über die Schornsteinmembran / -wand aufgrund der Zuführung von erhitzter Entlüftungsflüssigkeit in eine kalte Meeresbodenumgebung. Die Temperaturen des kalten Meeresbodens können in Abhängigkeit von Tiefe, Sonnendurchdringung und Salzgehalt variieren. Die durchschnittlichen Meeresbodentiefen an den Schlotstellen (meist an mittelozeanischen Rücken) liegen im Bereich von 0-4 °C17. Abhängig von der Art der Entlüftung kann der thermische Gradient zwischen Ozean und Entlüftungsflüssigkeit dramatisch variieren - von den milderen Gradienten alkalischer Schlote wie Lost City18,19 oder dem Strytan Hydrothermal Field, wo die Entlüftungsflüssigkeit 40-90 ° C20,21ist, bis zu den schwarzen Rauchern am Tiefseeboden, bei denen die Entlüftungsflüssigkeit mehrere hundert Grad Celsius erreichen kann22. 23,24,25. Aus der Perspektive des Ursprungs des Lebens ist die Simulation thermischer Gradienten in hydrothermalen Systemen von Bedeutung, da sie die Mineralogie und chemische Reaktivität von Schornsteinfällungen3,13 beeinflussen und / oder die Bewohnbarkeit beeinflussen könnten, da hydrothermale Schornsteine Mikroben beherbergen, die Elektronen direkt von mineralischen Oberflächen aufnehmen26. In einem Gradienten über die Schornsteinwand wäre eine Reihe von Temperaturbedingungen über eine kurze Entfernung vorhanden, und die Schornsteinwand würde eine Kombination von Mineralien und Reaktionen darstellen, die für all diese thermischen Regime charakteristisch sind.
Im Labor gezüchtete hydrothermale Schornsteine in thermischen Gradienten wurden simuliert, um die Auswirkungen des kalten Ozeans und der heißen hydrothermalen Flüssigkeit auf diese potenzielle präbiotische Umgebung zu untersuchen. Da der Anbau simulierter hydrothermaler Schornsteine über ein Injektionsverfahren mit beheiztem Innen- und kalter Außenseite praktische Herausforderungen darstellt, sind die am besten zugänglichen Schornsteinexperimente diejenigen, die bei Umgebungsdruck durchgeführt werden (daher sind keine kostspieligen und komplizierten Reaktoren erforderlich). Frühere Versuche mit im Labor gezüchteten Schornsteinen in einem thermischen Gradienten waren nicht in der Lage, sowohl eine heiße / warme hydrothermale Flüssigkeit als auch einen kalten Ozean zu erzeugen. In dem Bemühen, den gesamten Schornstein für lange Zeit bei hoher Temperatur zu halten, um reaktive Mineralien zu bilden, die organische Reaktionen antreiben können, erhitzten einige Studien das gesamte Experiment (Ozean und hydrothermale Flüssigkeit) auf ~ 70 ° C entweder mit einem Heizmantel oder einem heißen Bad13,14. Eine andere Art von Schornsteinausfällungsexperiment in einer "Brennstoffzellen" -Vorrichtung bildete das Schornsteinwandsimulant auf einer flachen Membranschablone; Diese Experimente wurden auch in großen Mengen erhitzt, indem die Brennstoffzellengradientenvorrichtung in ein Warmwasserbad eingetaucht wurde27,28. Frühere Studien haben simulierte hydrothermale Schornsteine aus heißen hydrothermalen Flüssigkeiten (mit verschiedenen Methoden auf ~ 70 ° C erhitzt)gebildet,die in einen Ozean mit Raumtemperatur injiziert werden3,12; Ein kalter Ozean wurde jedoch nicht versucht.
Diese Arbeit entwickelt Methoden für präbiotische Schornsteinwachstumslaborsimulationen4 weiter, um einen realistischen thermischen Gradienten von einem kalten (0-5 ° C) Ozean zu einer beheizten hydrothermalen Flüssigkeit zu erzeugen, in der Schornsteinmaterialien synthetisiert und interessante Eigenschaften getestet werden können. Bis heute wurden keine präbiotischen Schornsteinexperimente mit einem realistischen Temperaturgradienten für alkalische Schlote erfolgreich durchgeführt: wobei die innere Entlüftungslösung bei ~ 70 ° C gehalten und die äußere Ozeanlösung auf ~ 5 ° C gekühlt wurde. Darüber hinaus ist bei den wenigen beheizten Schornsteinexperimenten, die durchgeführt wurden, der Versuchsaufbau komplex und kann kostspielig sein. Chemische Gartenexperimente haben ein großes Potenzial, Erkenntnisse über die Prozesse zu gewinnen, die in hydrothermalen Quellen auf der frühen Erde stattgefunden haben könnten. Daher ist die Fähigkeit, schnell mehrere Variationen eines Schornsteinexperiments einzurichten, von Vorteil, ebenso wie die Fähigkeit, ein einfaches Gerät zu haben, das kostengünstig, nicht zerbrechlich, leicht zu modifizieren und ideal für die Schüler ist. Hier wird eine neuartige Vorrichtung (Abbildung 1) vorgestellt, die das Wachstum eines simulierten hydrothermalen Schornsteins erleichtern und gleichzeitig einen realistischen thermischen Gradienten zwischen dem kalten Ozean und dem beheizten hydrothermalen Flüssigkeitssimulanten aufrechterhalten und überwachen soll. Diese experimentelle Vorrichtung ähnelt im Aufbau einem Mantelreaktor, ist aber ein dreidimensionaler (3D) gedruckter Kondensator, der leicht von jeder Forschungsgruppe hergestellt werden kann, die an der Durchführung ähnlicher Experimente interessiert ist (siehe Ergänzende druckbare Datei). Mit diesem 3D-gedruckten Kondensator wurden Schornsteinexperimente mit thermischem Gradienten durchgeführt, um den Nutzen dieses Geräts für die Aufrechterhaltung robuster Temperaturgradienten zu testen und die Auswirkungen von Temperaturgradienten auf die Schornsteinstruktur und -morphologie zu testen.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3/8-Inch Clear Vinyl Tubing</td>
			<td>Watts</td>
			<td>SVIG10&#160;</td>
			<td>Cut to desired length for experiment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>40-pin Male to Female Wire Jumper Multicolored Ribbon Cables</td>
			<td>EDGELEC</td>
			<td>ED-DP_L30_Mix_120pcs</td>
			<td>These wires will require stripping of plastic ends and carefully removing one of the 2 plastic casings</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminum seals</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>0337523C</td>
			<td>Thermo Scientific National Headspace 20 mm Crimp Seals</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ferric chloride hexahydrate</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>I88-100&#160;</td>
			<td>Ferric&#160;Chloride&#160;Hexahydrate&#160;(Lumps/Certified ACS)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ferrous chloride tetrahydrate</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>I90500</td>
			<td>Ferrous Chloride Tetrahydrate (Crystalline/Certified)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gear Hose Clamps</td>
			<td>Glarks</td>
			<td>40Pcs</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gray butyl stoppers</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>0337522AA</td>
			<td>Thermo Scientific National 20 mm Septa for Headspace Vials</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette tips</td>
			<td>VWR</td>
			<td>53511-682</td>
			<td>pipette tips 0.5-10 microliters</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Serum bottles</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>33110-U</td>
			<td>Vials, crimp top, serum bottle, size 100 mL, clear glass, outer diameter x height 51.7 mm x 94.5 mm. For these experiments, the bottom of the serum bottle should be cut off.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium hydroxide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S5881</td>
			<td>reagent grade, &#8805;98%, pellets (anhydrous)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium sulfide nonahydrate</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>S425212</td>
			<td>Sodium Sulfide Nonahydrate (Crystalline/Certified ACS).&#160; Store at -20 &#176;C. Only open in a glove box or fume hood. Releases toxic H2S gas; all sulfide-containing solutions must be kept in a glove box or fume hood.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>syringe heater&#160;</td>
			<td>Syringepump.com</td>
			<td>HEATER-KIT-5SP&#160;</td>
			<td>Clamp gear hose clamps around heating blanket</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe needles (16 gauge)</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>14-826-18B</td>
			<td>BD General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 16 G x 1.5 in. (38 mm)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe Pump</td>
			<td>Syringepump.com</td>
			<td>NE-4000</td>
			<td>Dual or multiple channel, depending on desired number of simultaneous experiments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringes (10 mL)</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>14-823-16E</td>
			<td>BD Syringe with Luer-Lok Tips (Without Needle)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tubing</td>
			<td>Cole Parmer</td>
			<td>EW-06407-71</td>
			<td>Tygon Lab Tubing, Non-DEHP, 1/16&#34; internal diameter X 1/8&#34; outer diameter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water Circulation Pump&#160;</td>
			<td>Bayite&#160;</td>
			<td>BYT-7A015&#160;</td>
			<td>May need two people to help prime pump</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

simulation of early earth hydrothermal chimneys in a thermal gradient environment

Tiefsee-Hydrothermalquellen sind selbstorganisierende Ausfällungen, die aus geochemischen Ungleichgewichten erzeugt werden und als möglicher Schauplatz für die Entstehung von Leben vorgeschlagen wurden. Das Wachstum hydrothermaler Schornsteine in einer thermischen Gradientenumgebung innerhalb eines frühen Erdöffnungssystems wurde erfolgreich simuliert, indem verschiedene hydrothermale Simulanzlösemittel wie Natriumsulfid verwendet wurden, die in ein frühes Ozeansimulanzmittel der Erde injiziert wurden, das gelöstes Eisen enthielt. Darüber hinaus wurde eine Vorrichtung entwickelt, um das Ozeansimulanzmittel in einem Kondensatorgefäß, das in ein Kaltwasserbad getaucht ist, ausreichend auf nahezu 0 ° C zu kühlen, während eine Sulfidlösung bei heißen raumtemperaturen Temperaturen injiziert wird, wodurch über einen Zeitraum von einigen Stunden effektiv eine künstliche Schornsteinstruktur in einer Temperaturgradientenumgebung entsteht. Solche Experimente mit unterschiedlichen Chemikalien und variablen Temperaturgradienten führten zu einer Vielzahl von Morphologien in der Schornsteinstruktur. Die Verwendung von Ozean- und hydrothermalen Flüssigkeitssimulanzien bei Raumtemperatur führte zu vertikalen Schornsteinen, während die Kombination aus einer heißen hydrothermalen Flüssigkeit und einem kalten Ozeansimulanten die Bildung robuster Schornsteinstrukturen hemmte. Der anpassbare 3D-gedruckte Kondensator, der für diese Studie entwickelt wurde, fungiert als ummanteltes Reaktionsgefäß, das von verschiedenen Forschern leicht modifiziert und verwendet werden kann. Es wird die sorgfältige Kontrolle der Injektionsrate und der chemischen Zusammensetzung von Schlot- und Ozeansimulanzien ermöglichen, was dazu beitragen sollte, präbiotische Reaktionen in Schornsteinsystemen mit thermischen Gradienten, die denen natürlicher Systeme ähneln, genau zu simulieren.

Wie in früheren Studien1,2,13,29; Sobald das hydrothermale Flüssigkeitssimulanzl die Ozeandurchstechflasche erreichte, begann sich eine mineralische Niederschlagsstruktur zu bilden, die für die Dauer der Injektion dicker und höher wurde. Die Eisensulfidschornsteine waren empfindliche Strukturen, die nicht sehr robust waren und leicht disaggregiert werden konnten, wenn das Meeresfläschchen oder die Injektion physisch gestört war. Dies stimmt mit den Ergebnissen früherer Studienüberein 3. Die chemische Konzentration der Sulfidlösung spielte auch eine entscheidende Rolle in der Morphologie der Sulfidschornsteine. Konzentriertere Sulfidlösungen ermöglichten höhere und stabilere Mineralfällungen, wie in Abbildung 5gezeigt, während niedrigere Konzentrationen von Sulfidlösungen schwache Schornsteinstrukturen erzeugten. In einigen Fällen bildete sich keine Struktur, es entstand nur eine flüssige Sulfid-Mineral-"Suppe", die sich schließlich als Sediment absetzen sollte (Abbildung 3D). Dies geschah sowohl unter thermischen als auch unter nicht-thermischen Gradientenbedingungen.
Bei thermischen Gradientenschornsteinexperimenten mit Eisensulfid koalierten feste Schornsteinstrukturen im Allgemeinen nicht so gut wie bei Raumtemperatur. Abbildung 3E-H zeigt die Morphologie eines Eisensulfidschornsteins, der zwischen einem kalten Ozean und einer hydrothermalen Flüssigkeit bei Raumtemperatur gewachsen ist. Die Schornsteine im Temperaturgradienten waren schnurartig und schwacher Natur, während nicht-thermische Gradientenergebnisse (Abbildung 3A-D) mehr semiper permanente Strukturen zeigen. Gleiches galt für die Erwärmung der hydrothermalen Flüssigkeit (Abbildung 4). Die Ausnahme bildete bei höheren Sulfid- und Eisenkonzentrationen (Abbildung 5), wo ein fester Eisensulfidschornstein zwischen einer hydrothermalen Lösung bei Raumtemperatur und einem kaltozeanischen Simulant gebildet wurde.
Die Wirkung eines thermischen Gradienten auf das Wachstum von Eisenhydroxidschornsteinen wurde ebenfalls getestet. Die Ergebnisse zeigten Muster, die denen des Eisensulfidschornsteins ähnelten: Während das Eisenhydroxidexperiment bei Raumtemperatur zu einem robusteren Schornsteinausschlag führte, führte das thermische Gradientenexperiment zwischen der warmen hydrothermalen Flüssigkeit und dem kalten Ozean zu einem kleineren Hügel aus Schornsteinmaterial, der nicht vertikal verschmolz (Abbildung 6). Im Gegensatz zu den hohen aufrechten Strukturen von Eisenhydroxidschornsteinen, die in früheren Arbeiten (in Raumtemperaturexperimenten)29beobachtet wurden, zeigte unser thermisches Gradientenexperiment eine andere Morphologie.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig01.jpg"> Abbildung 1: Schornsteinvorrichtung mit thermischem Gradienten. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig01large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a> 
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig02.jpg"> Abbildung 2: 3D-gedruckter Kondensator. (A) Schematische Darstellung eines 3D-gedruckten Kondensators mit den Abmessungen des Kondensators. (B) Platzierung eines gläsernen Ozeanschiffs im Kondensator zur Kühlung des Ozeansimulanzlösemittels. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig02large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig03.jpg"> Abbildung 3: Eine Vielzahl von thermischen und nicht-thermischen Gradientenschornsteinen. (A-D) Nicht-thermisches Gradientenkontrollexperiment von raumtemperatur hydrothermaler Flüssigkeit (HTF) zu Raumtemperatur Ozeansimulanz. (A) 10 mM Na2S•9H2O HTF und 20mM FeCl2·4H2O Ozeansimulant. (B) 20 mM Na2S•9H2O HTF und 10 mM FeCl2·4H2O Ozeansimulant. (C) 20 mM Na2S•9H2O HTF und 20mM FeCl2·4H2O Ozeansimulant. (D) 20 mM Na2S•9H2O HTF und 20mM FeCl2·4H2O Ozeansimulant. (E-H) Thermisches Gradienten-Schornsteinexperiment vom Raumtemperatur-HTF-Simulant zu einem kalten Ozeanreservoir (~ 5-10 °C). (E) 20 mM Na2S•9H2O HTF und 10 mM FeCl2·4H2O Ozeansimulant. (F) 10 mM Na2S•9H2O HTF und 20 mM FeCl2·4H2O Ozeansimulant. (G) 20 mM Na2S•9H2O HTF und 10 mM FeCl2·4H2O Ozeansimulant. (H) 10 mM Na2S•9H2O HTF und 20 mM FeCl2·4H2O Ozeansimulant. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig03large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig04.jpg"> Abbildung 4: Experiment mit thermischem Gradienten. Experiment durchgeführt mit warmer (~35-40 °C) 20 mM Na2S•9H2O Lösung injiziert in ein kaltes (~5-10 °C) 20 mM FeCl2·4H2O Ozeansimulanzmittel, wodurch kleine Schornsteinstränge erzeugt werden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig04large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig05.jpg"> Abbildung 5: Einfluss der Konzentration von Ozeansimulanzlösemittel auf Schornsteine. Höhere Konzentrationen (~50 mM Na2S•9H2O, 10 mM FeCl2·4H2O und 200 mM NaCl) von anoxischen Ozeansimulanzien erzeugten strukturell robustere, höhere Schornsteine. Sulfidlösung bei Raumtemperatur wurde in 2-10 °C Ozeansimulanzlösemittel injiziert. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig05large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61789/61789fig06.jpg"> Abbildung 6: Gleichzeitiges Wachstum von thermischen und nicht-thermischen Gradientenschornsteinen. (A) 100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O Ozeanlösung mit einem 200 mM NaOH Hydrothermal Fluid (HTF) Fluid Simulant bei Raumtemperatur. (B) Thermisches Gradientenexperiment mit den gleichen Konzentrationen mit warmem HTF bei ~35-50 °C in kaltes Ozeansimulanzlösemittel bei ~5-10 °C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/61789fig06large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Hydrothermale Fluidchemie (Injektion)</td>
			<td>Ozeanchemie (Reservoir)</td>
		</tr>
<tr>
<td>50 mM Na2S</td>
			<td>10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl oder NaHCO3
</td>
		</tr>
<tr>
<td>20 mM Na2S</td>
			<td>10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl oder NaHCO3
</td>
		</tr>
<tr>
<td>10 mM Na2S</td>
			<td>20 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl oder NaHCO3
</td>
		</tr>
<tr>
<td>200 mM NaOH</td>
			<td>100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabelle 1: Konzentrationsmatrix fürsimulierte Injektionslösungen für Ozeane und hydrothermale Flüssigkeiten.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>HTF °C</td>
			<td colspan="2" style="text-align:center">Ozeansimulante Temperaturen °C</td>
		</tr>
<tr>
<td>~23</td>
			<td>~23</td>
			<td>5-10</td>
		</tr>
<tr>
<td>~35-50</td>
			<td>~23</td>
			<td>5-10</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabelle 2: Experimentelle Matrix des thermischen Gradienten. Die Temperatur der hydrothermalen Flüssigkeit (HTF) bezieht sich auf die Temperatur der Flüssigkeit in der Spritze; die tatsächliche Temperatur am Einlass zur Durchstechflasche mit dem Meer lag zwischen 20 und 35 Grad unter der Temperatur in der Spritze (~70 °C) (siehe ergänzende Anlage 1, Abbildung 3und Abbildung 4).
Ergänzende druckbare Datei. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/Condenser%20for%20JPL%20smaller%20circle.STL" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a> 
Ergänzende Anlage 1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/App1%20Temperature-tests.docx" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a> 
Ergänzende Anlage 2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/App2%20Thermistor-setup.docx" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a> 
Ergänzende Anlage 3. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61789/App3%20Other%20supplies.docx" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a>

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Simulation of Early Earth Hydrothermal Chimneys in a Thermal Gradient Environment

Das Ziel dieses Protokolls ist es, simulierte hydrothermale Schornsteine durch chemische Garteninjektionsexperimente zu bilden und einen thermischen Gradienten über die anorganische Niederschlagsmembran einzuführen, wobei ein 3D-druckbarer Kondensator verwendet wird, der für Bildungszwecke reproduziert werden kann.

Simulation von hydrothermalen Schornsteinen der frühen Erde in einer Umgebung mit thermischem Gradienten

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the ...

Der 3D-Druck des Kühlkondensators ermöglicht es, zuvor entwickelte experimentelle Methoden zur Temperaturregelung einfach zu modifizieren. Die digitalen Designs können dann von jedem Forscher mit Zugriff auf einen 3D-Drucker einfach geteilt, modifiziert und gedruckt werden. Diese Methode könnte zur Simulation hydrothermaler Prozesse auf der Erde verwendet werden, aber auch zur Simulation hydrothermaler Ereignisse auf Jupiters Mond Europa oder Saturns Mond Enceladus.Die von uns entwickelte Methode kombiniert eine Vielzahl von Komponenten auf einzigartige Weise. Die visuelle Demonstration ermöglicht es Studenten und Forschern, die an der Reproduktion oder Anpassung dieser Methoden interessiert sind, zu sehen, wie die experimentelle Apparatur zusammengebaut und bedient werden kann. Beginnen Sie, indem Sie den Thermistor in einer stabilen Position auf einer Seitenbank so nah wie möglich am Abzug platzieren.Stecken Sie die USB-Seite eines RS-232-Adapterkabels in den USB-Anschluss des Computers und stecken Sie das Kabel in eine Steckdose. Schalten Sie die Stromversorgung für den Thermistor und die Thermistorsoftware auf dem Computer ein. Überprüfen Sie die Flachbandkabel und stellen Sie sicher, dass sie ordnungsgemäß mit den Pins der RS-232-Kabelbelegungen verbunden sind.Sobald die Verbindung hergestellt ist, stellen Sie sicher, dass die Ausgabe zu 100% in roten Balken angezeigt wird. Wenn der Thermistor blinkt, ändern häufige Intervallmessungen die Intervallzeit auf 60 Sekunden. Löschen Sie im Feld Controller-Optionen unten eine Sekunde und ändern Sie auf 60 Sekunden.Klicken Sie dann auf die Schaltfläche OK. Klicken Sie auf die ovale Schaltfläche neben dem Firmenlogo mit der Bezeichnung Auto-Scale. Beachten Sie die gelbe Linie, die die Temperaturanzeige anzeigt.Klicken Sie im Plotbereich mit der rechten Maustaste, um das Diagramm nach Ihren Wünschen anzupassen, z. B. die Skalierung und die X- und Y-Achsen. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Plotbereich und klicken Sie auf Nach Excel exportieren, bevor eine neue Lektüre beginnt. Speichern Sie die Temperatur- und Zeitdaten in der Tabelle, die automatisch vom Programm erstellt wurde.Legen Sie die Metall-Thermistorsonde in das Glas-Ozeangefäß innerhalb des Kondensators. Stellen Sie sicher, dass die Sonde an der Seite des Glases eingestellt ist, und bedecken Sie das Glas mit Parafilm. Füllen Sie einen mittelgroßen Eimer bis zur Hälfte mit Wasser, legen Sie den Eimer in eine Plastikpfanne und fügen Sie dem Wasser Eis hinzu, bis es fast voll ist.Legen Sie die beiden Kunststoff-Absperrschläuche an beiden Enden der Wasserpumpe an. Beachten Sie, dass die vertikale Pumpenöffnung der Ort ist, an dem Wasser eingegossen wird, um mit der Grundierung zu beginnen, und die horizontale Öffnung ist der Ort, an dem Wasser ausgestoßen wird. Stecken Sie die Pumpe in eine Steckdose, lassen Sie aber die elektrischen Anschlüsse offen.Schließen Sie den horizontalen Kunststoffschlauch an den höheren Kondensatoranschluss nach rechts an und stellen Sie sicher, dass der Schlauch lang genug ist, um den Eiskübel zu erreichen. Schließen Sie einen weiteren absperrten Kunststoffschlauch an den linken Kondensatoranschluss an. Positionieren Sie diesen Schlauch über dem Eimer Eiswasser, in den das Wasser aus dem Kondensator ausgestoßen wird.Gießen Sie kaltes Wasser durch den Schlauch, der mit der vertikalen Öffnung der Pumpe verbunden ist. Wenn die Pumpe voll mit Wasser ist und bis zum Kondensatoranschluss reicht, tauchen Sie den Schlauch in das Eiswasserbad und schließen Sie sofort die elektrischen Anschlüsse an. Bereiten Sie die Pumpe vor, um Wasser durch den Kondensator zu fließen, füllen Sie den Eimer mit Eis und legen Sie ein Thermometer in den Eimer, um die Temperatur zu überprüfen.Fügen Sie weiterhin mehr Eis hinzu, um das Wasser auf einer kalten Temperatur zu halten und etwas des wärmeren Wassers auszuschöpfen. Wickeln Sie ein Pad um die Sulfidspritze und schrauben Sie zwei Metallklemmen fest um das Pad. Gießen Sie ein oder zwei Meereslösungen in die vorgefertigten Schornsteingefäße.Gießen Sie eine Ozeanlösung mit einem Kondensator in die Glasfläschchen und die andere ohne Kondensator in das Raumtemperaturgefäß, wobei Sie darauf achten, den Temperaturfühler nicht zu bewegen. Starten Sie die Injektion und beginnen Sie mit der Aufzeichnung der Meerestemperatur am Thermistor. Sobald das Wasser durch den Kondensator zirkuliert, beginnt die Temperatursonde des Thermistors, den Temperaturabfall im Ozean anzuzeigen.Sobald das hydrothermale Flüssigkeitssimulanzmittel die Durchstechflasche des Ozeans erreichte, begann sich eine mineralische Niederschlagsstruktur zu bilden, die für die Dauer der Injektion dicker und höher wurde. Konzentriertere Sulfidlösungen ermöglichten höhere und robustere Mineralfällungen. In einigen Fällen bildete sich keine Struktur, sondern nur eine flüssige Sulfidmineralsuppe, die sich schließlich als Sediment absetzen würde.In thermischen Gradientenkaminexperimenten mit Eisensulfid-Festkaminstrukturen koalierten sich im Allgemeinen nicht so gut wie bei Raumtemperatur. Die Schornsteine im Temperaturgradienten waren schnurartig und schwach in der Natur. Während die nicht-thermischen Gradientenergebnisse mehr semi-permanente Strukturen aufweisten.Gleiches galt, wenn die hydrothermale Flüssigkeit erhitzt wurde. Ein fester Eisensulfidschornstein konnte sich zwischen einer hydrothermalen Lösung bei Raumtemperatur und einem kaltozeanischen Simulant bei höheren Sulfid- und Eisenkonzentrationen bilden. Die Wirkung eines thermischen Gradienten auf das Wachstum von Eisenhydroxidschornsteinen wurde ebenfalls getestet.Während das Eisenhydroxidexperiment bei Raumtemperatur einen robusten Schornsteinausschlag erzeugte, führte das thermische Gradientenexperiment zu einer geringeren Menge an Schornsteinmaterial, das nicht vertikal verschmolz. Nach diesem Verfahren kann eine breite Palette von Chemie- und Temperaturgradienten untersucht werden, um die Rolle von Temperaturgradienten auf diesen dynamischen chemischen Systemen besser zu verstehen.

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