A Microgravity Sounding-Rocket Experiment on Protoplanetary Dust Aggregation

Brisset, Julie

Während der ersten Schritte der Bildung eines neuen Planetensystems klumpt und wächst Staub in der protoplanetaren Scheibe, die sich um einen neu-geformten Stern dreht. In dieser Scheibe führen Stöße zwischen Staubteilchen zu Teilchenwachstum. Staubaggregate wachsen bis ihre Größe und Relativgeschwindigkeiten hoch genug sind, dass Stöße zu Abprallen oder Fragmentierung führen. Das Suborbital Particle and Aggregation Experiment (SPACE) wurde entworfen und gebaut, um Stöße zwischen 100 µm-großen SiO2 Aggregate zu beobachten. Das Experiment wurde am Fallturm Bremen im August 2011 und auf der REXUS 12 Rakete im März 2012 durgeführt, wo die Schwerelosigkeitsbedingungen Teilchen-Relativgeschwindigkeiten unter 1 cm/s ermöglichten. Während der Experimente wurde die Bildung von Klumpen beobachtet, bestehend aus einer Vielzahl an Einzelaggregaten (mehr als 10^4), die bis zu einer Größe von 5 mm wuchsen. Die Ergebnisse der Datenanalyse zeigten, dass die Haftwahrscheinligkeit zwischen solchen Klumpen und zwischen Einzelteilchen und Klumpen viel höher ist als für Stöße zwischen zwei Einzelteilchen. Während des Raketenfluges konnte diese Haftwahrscheinligkeit während des Übergangs von Haftung zu Abprallen durchgehend gemessen werden. Es wurde auch gezeigt, dass die gebildeten Klumpen zerbrechlicher als Einzelteilchen sind und schon bei Stoßgeschwindigkeiten von 5 cm/s fragmentieren. Die Entwicklung der beobachteten Aggregatklumpen lieferte auch Informationen über ihre Stoß- und Kohäsionseigenschaften. Deren fraktale Dimension, Zugfestigkeit ihrer Komponenten und effektive Oberflächenenergie konnte gemessen werden. Zusätzlich wurden auch Kontakt Roll- und Bruchenergien Schwellwerte bestimmt. Diese verschiedenen Klumpen Eigenschaften sind wichtige Beiträge zu numerischen Simulationen, die Staubwachstum in protoplanetaren Scheiben berechnen.

In the very first steps of the formation of a new planetary system, dust agglomerates and grows inside the protoplanetary disk that rotates around the newly formed star. In this disk, collisions between the dust particles lead to sticking. Aggregates start growing until their sizes and relative velocities are high enough for collisions to result in bouncing or fragmentation. The Suborbital Particle and Aggregation Experiment (SPACE) was designed, built and operated both at the drop tower in Bremen (August 2011) and on the REXUS 12 suborbital rocket (March 2012) to observe collisions between SiO2 aggregates of sizes of a few 100 µm. The time under microgravity conditions allowed for collision velocities below 1 cm/s. At these low velocities, clusters composed of a high number of aggregates (more than 10^4) formed and grew to sizes of up to 5 mm. The data results showed that the sticking probability of a collision is enhanced for aggregate-cluster and cluster-cluster collisions compared to simple aggregate-aggregate collisions. Furthermore, the sticking probability of sub-mm-sized dust aggregates could directly be measured during the suborbital rocket flight, over a velocity range covering the transition between the sticking and bouncing regimes. It was also shown that the formed clusters are more fragile and fragment at collision velocities as low as 5 cm/s. In addition, the evolution of clusters formed from sub-mm-sized aggregates during the different experiments could be observed and some of their intrinsic properties derived. The measured characteristics were the cluster fractal dimensions, the tensile strength of their outer aggregate layer and the effective surface energy of their constituents. Threshold energies for cluster restructuring and fragmentation could also be determined. All these cluster properties are important input parameters for molecular dynamics or numerical simulations investigating the behavior of macroscopic clusters (>1 mm in size) in protoplanetary disks.

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Brisset, Julie: A Microgravity Sounding-Rocket Experiment on Protoplanetary Dust Aggregation. 2014.

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