Wärmeleitfähigkeit von Planetesimalen

Krause, Maya

Um die Wärmeleitfähigkeit von Planetesimalen als wichtigen Parameter für theoretische Modelle zu deren Entstehung und Entwicklung untersuchen zu können, wurden Messungen an Analogkörpern in Form von porösen Staubproben, gebildet aus mikrometergroßen SiO2-Kugeln, durchgeführt. Durch Kombination von Temperaturmessungen mithilfe einer IR-Kamera und numerischer Modellierung des stattgefundenen Wärmetransports ließ sich die effektive Wärmeleitfähigkeit aus Leitungs- und Strahlungsanteil über Anpassung freier Modellparameter ermitteln. Mit dieser berührungslosen Messmethode wurde von unterschiedlich hergestellten Proben für verschiedene Porositäten und Sintergrade die Wärmeleitfähigkeit im Vakuum bestimmt, woraus sich für Volumenfüllfaktoren von 0,15 bis 0,54 Werte für den Leitungsanteil von 0,02 bis 0,1 W/(m*K) ergaben. Spezifische Analysen der Messergebnisse zeigen auf, dass die Koordinationszahl zur eindeutigen Charakterisierung der verschiedenen Packungsstrukturen der Probenarten besser geeignet ist als der Volumenfüllfaktor. Für den Leitungsanteil des Wärmetransfers lässt sich eine proportionale Abhängigkeit von der Koordinationszahl sowie der Kontaktfläche normiert auf die Querschnittsfläche der kugelförmigen Einzelteilchen feststellen. Bei kompakteren Proben dominiert der Wärmetransportanteil durch Leitung, wobei der Anteil durch Strahlung mit der Porosität und Temperatur zunimmt. Wärmestrahlung kann auch bei geringeren Temperaturen den überwiegenden Anteil des Wärmetransfers ausmachen, wenn viele und große Hohlräume vorliegen, wie es der Fall ist bei einer hierarchischen Zusammensetzung einer porösen Packungsstruktur, gebildet aus porösen Aggregaten. Für die gemessene Zunahme der Wärmeleitfähigkeit durch Leitung in Abhängigkeit des Sintergrades konnte ein Modell für den Wärmetransport eines Kugelpaares mit größer werdender Kontaktfläche entwickelt und angepasst werden. Die numerische Simulation von Wärmetransport in porösen Medien konnte ebenfalls angewendet werden, um die im Rahmen der Rosetta Mission gemessene Oberflächentemperatur des Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko zu reproduzieren. Die Modellierung ließ sich auf ein einzelnes poröses Staubaggregat der eisfreien obersten Staubschichten des Kometenkerns reduzieren und ergab durch Anpassung an die Messdaten für den Aggregatradius als freiem Modellparameter einen Wertebereich von 0,22 - 55 mm, der zur Unterstützung der Entstehungshypothese des Kometen von Blum et al. (2017) beitragen konnte.

To investigate the thermal conductivity of planetesimals as an important parameter for theoretical models concerning their formation and evolution, measurements were performed on analogous porous dust samples made of micrometer-sized SiO2 spheres. The combination of temperature measurements by an IR camera and numerical simulations of the heat transport enabled the determination of the effective heat conductivity, comprising the conduction and radiation part, by adjusting free model parameters. With this non-invasive measuring technique, the thermal conductivity was determined for differently produced dust samples with varied porosities and sintering degrees at vacuum conditions, resulting in values of 0.02 - 0.1 W/(m*K) for the heat conduction corresponding to volume filling factors of 0.15 - 0.54. Specific analyses of the measured results reveal that the coordination number is more suitable to characterize unambiguously the packing structure of the sample types than the volume filling factor. For the heat transfer by conduction it turned out that the thermal conductivity is proportional to the coordination number and the contact area normalized by the cross section of the spherical particles. Conduction is the dominating part of the heat transport for more compact samples, whereas the radiation part increases with porosity and temperature. Radiation can become the major part of the heat transfer even for moderate temperatures in case of many and large void spaces between the particles as for the hierarchical composition of a porous packing structure built of porous aggregates. For describing the measured increase of the thermal conductivity by conduction correlating with the sintering degree, a heat transport model for a sphere pair with growing contact area was developed. The numerical simulation of heat transport in porous media was additionally applied for reproducing the surface temperature of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko obtained from measurements during the Rosetta mission. The modelling could be reduced to a single porous dust aggregate of the ice-free upper dust layers of the comet nucleus. By fitting to the measured temperature data, the aggregate radius, treated as free model parameter, could be determined to a range of 0.22 - 55 mm, supporting the comet-formation hypothesis by Blum et al. (2017).

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Krause, Maya: Wärmeleitfähigkeit von Planetesimalen. 2019.

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