Mikrogravitationsexperimente zur Entwicklung eines empirischen Stoßmodells für protoplanetare Staubagglomerate

Kothe, Stefan

Die Entstehung von Planeten beginnt mit haftenden Stößen zwischen mikrometergroßen Staubpartikeln in protoplanetaren Scheiben. Mit zunehmender Größe der Agglomerate werden die Ergebnisse der Stöße komplexer. Neben dem Effekt der Haftung können sowohl Abprallen als auch verschiedene Formen der Fragmentation auftreten. Simulationen dieser Wachstumsprozesse sind auf genaue Kenntnisse der Massen- und Geschwindigkeitsabhängigkeit der Stoßergebnissen angewiesen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein auf Experimenten basierendes Stoßmodell für poröse Staubagglomerate erstellt. Hierzu wurden zwei Schwerelosigkeitsexperimente durchgeführt und durch die Ergebnisse von bereits veröffentlichten Arbeiten ergänzt. Im Rahmen eines Fallturmexperimentes wurde das Haftverhalten von submillimetergroßen Staubagglomeraten untersucht. Anhand der Ergebnisse konnte eine massenabhängige Grenzgeschwindigkeit für den Übergang zu abprallenden Stößen bestimmt werden. Zusätzlich zur Haftung einzelner Staubagglomerate aneinander wurde die Entstehung von Agglomerat-Clustern beobachtet, welche fraktalen Charakter haben können. Stöße zwischen diesen Clustern führten auch bei Geschwindigkeiten zu Haftung, welche oberhalb der für einzelne Agglomerate abgeleiteten Haftgrenze liegen. In einem Parabelflugexperiment wurde nachgewiesen, dass in abprallenden Stößen zwischen zentimetergroßen Staubagglomeraten ein geringer Massenverlust auftreten kann. Es wurde gezeigt, dass die Stärke dieser Abrasion von der Stoßgeschwindigkeit der Agglomerate abhängt. Des Weiteren wurde für die Restitutionskoeffzienten der beobachteten Stöße der bekannte, mit der Geschwindigkeit abnehmende, Verlauf bestätigt. Für die Beschreibung der Stärke der Fragmentation poröser Staubagglomerate wurde ein massen- und geschwindigkeitsabhängiges Potenzgesetzes gefunden, welches berücksichtigt, dass größere Agglomerate bereits bei geringeren als den bislang angenommenen Stoßenergien zerbrechen. Schließlich wurden die Ergebnisse zu einem Stoßmodell zusammengefasst und in Hinblick auf das Wachstum von Agglomeraten diskutiert. Dabei hat sich gezeigt, dass unter Einbeziehung der Erosion ein Wachstum nur bis zu einer Größe von ca. 1 cm möglich ist. Die Entstehung von Planetesimalen ist daher auf zusätzliche Mechanismen, wie beispielsweise die Streaming Instability angewiesen. Eine Übertragung des Stoßmodells hin zu kleineren Staub- und Wassereispartikeln ergibt eine weitere Möglichkeit des Wachstums von großen Körpern durch Massentransfer.

The formation of planets starts with sticking collisions between micrometer-sized dust particles in protoplanetary disks. With increasing size of the growing agglomerates, the collisional outcome becomes more complex. Agglomerates can not only stick, but also bounce of each other or fragment in different ways. Simulations of these growth processes depend on detailed knowledge of the mass and velocity dependency of the thresholds of the collisional outcome. In the scope of this thesis an experiment-based, empirical collision model for porous dust agglomerates was developed. For this, two microgravity experiments were conducted and complemented by the results of already published papers. The sticking behavior of submillimeter-sized dust agglomerates was studied in a drop tower experiment and used to derive a new mass dependent transition velocity for buncing collisions. Alongside the sticking of individual dust agglomerates, the formation of agglomerate-clusters, which could have fractal characteristics, was observed. Collisions between these clusters led to sticking, even at velocities clearly above the sticking threshold for collisions between individual agglomerates. It was demonstrated in a parabolic flight experiment, that bouncing collisions among centimeter-sized dust agglomerates can lead to a small mass loss. The strength of this abrasion depends on the collision velocity of the agglomerates. Furthermore, the experiment confirmed that the coeffcient of restitution decreases with increasing collision velocity. A new power law was found to describe the mass and velocity dependency of the strength of fragmentation of porous dust agglomerates. It reflects the fact that larger agglomerates fragment at lower collision energies. Finally, the results were used to derive a new collision model and discussed with regard to the potential growth of agglomerates in standard models for protoplanetary disk. Thereby it was shown, that the inclusion of erosion prohibits growth beyond the centimeter-size. Thus, the formation of planetesimals depends on additional processes like the streaming instability. However, an adaption of the collision model for smaller dust grains and water ice particles shows, that growth is possible for these grains.

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Kothe, Stefan: Mikrogravitationsexperimente zur Entwicklung eines empirischen Stoßmodells für protoplanetare Staubagglomerate. 2017.

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