Laborexperimente zu Impakten sowie Eis- und Staubkollisionen in Trümmerscheiben
Ein zentraler Bestandteil der Erforschung der Planetenentstehung stellen Kollisionen zwischen kleinen Körpern, sowohl in protoplanetaren Scheiben als auch in Trümmerscheiben, dar. Aus einzelnen Eis- oder Staubpartikeln bilden sich durch haftende Kollisionen kleine kugelförmige Agglomerate, sogenannte Pebbles. Diese Pebbles bilden durch Kollisionen und gravitativen Kollaps kleine Planetesimalen. Die Ergebnisse von Kollisionen zwischen kleinen Planetesimalen hängt dabei von vielen Faktoren ab, von denen in dieser Arbeit einige untersucht werden sollen.
Für die ersten Experimente wurden zylinderförmige Eisagglomerate mit einer Größe von 2 cm hergestellt und bei Temperaturen von weniger als 140 K im Fallturm mit Relativgeschwindigkeiten zwischen 4 und 10 m/s zur Kollision gebracht. Bei der Auswertung der Experimente wurde in erster Linie die Masse des größten Fragmentes bestimmt. Eine Auftragung der Fragmentationsstärke µ über der Kollisionsenergie Q* liefert die kritische Fragmentationsenergie Q_D*.
Darauf aufbauend wurden Experimente mit gepressten Agglomeraten aus Staubpebbles durchgeführt. Für die Herstellung dieser Agglomerate wurden Pebbles mit einer Größe zwischen 1,0 mm und 1,6 mm gesiebt und anschließend mit einem Druck von 10, 50 oder 250 kPa gepresst. Bei der Durchführung dieser Experimente musste nicht auf die Temperatur geachtet werden. Dadurch konnten Kollisionen mit Geschwindigkeiten zwischen 1 m/s und 10 m/s durchgeführt werden. Analog zu der Auswertung der Eisexperimente wurde die Masse des größten Fragments für jede Kollision ermittelt und die kritische Fragmentationsenergie Q_D* in Abhängigkeit des Kompressionsdruckes ermittelt. Zuletzt wurden die Ergebnisse der Eis- und Staubexperimente direkt miteinander verglichen.
Als nächstes wurden Impakte bei großen Geschwindigkeiten untersucht. Mithilfe von zwei Treibladungsbeschleunigern konnten Projektile auf Geschwindigkeiten zwischen 150 m/s und 500 m/s beziehungsweise 3,2 km/s und 6,6 km/s beschleunigt werden und auf Targets einschlagen. Als Projektile wurden dabei 3 bis 6 mm große Kugeln aus Peridotit, Basalt oder Stahl verwendet. Als Targets dienten Peridotitwürfel mit Massen zwischen 140 g und 1,4 kg. Bei der Auswertung der Experimente wurde die Masse des größten Fragments in Abhängigkeit der Masse des Targets und der spezifischen Impaktenergie untersucht und daraus die kritische Fragmentationsenergie für Peridotit ermittelt.
Collisions between small bodies, both in protoplanetary disks and in debris disks, represent a central component of the study of planet formation. Small spherical agglomerates, so-called pebbles, are formed from individual ice or dust particles by adhesive collisions. These pebbles in turn form small planetesimals through collisions and particle concentration. The results of collisions between small planetesimals depend on many factors, some of which will be investigated in this work.
For the first experiments, cylindrical ice agglomerates with a size of 2 cm were produced and collided in the drop tower at temperatures below 140 K. The relative speeds for the collisions were between 4 and 10 m/s. When evaluating the experiments, primarily the mass of the largest fragment was determined via the volume and the mean density. A plot of the fragmentation strength µ versus the collision energy Q* for each individual experiment gives the critical fragmentation energy Q_D*.
Based on this, similar experiments were carried out with compressed agglomerates from dust pebbles. For the production of these agglomerates, pebbles with a size between 1.0 mm and 1.6 mm were sieved and then pressed with a pressure of 10, 50 or 250 kPa. Since the temperature did not have to be taken into account when carrying out these experiments, a second drop tower could be used for additional collision experiments with a relative velocity of 1 m/s in addition to the collision experiments with velocities between 4 and 10 m/s. The mass of the largest fragment for each collision was determined and the critical fragmentation energy Q_D* could be estimated as a function of the compression pressure. Finally, the results of the ice and dust experiments were compared directly.
In addition to the collision experiments in the drop tower, impacts at high velocities were investigated. With the help of a single stage cannon and a light-gas gun, projectiles could be accelerated to velocities between 150 m/s and 500 m/s or 3.2 km/s and 6.6 km/s and hit targets. Spheres made of peridotite, basalt or steel with a diameter of 3 to 6 mm were used as projectiles. Cubes of peridotite with masses between 140 g and 1.4 kg served as targets. When evaluating the experiments, the mass of the largest fragment was also examined as a function of the mass of the target and the specific impact energy. Using this data, the critical fragmentation strength for peridotite was determined.
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