Wärmeleitfähigkeit von Planetesimalen

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.