Partikelgeschwindigkeits-Messgerät

• Subject Area: Astrophysics and Astronomy
• Term: Funded in 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 234314958

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Die unter der Oberbezeichnung "Partikelgeschwindigkeits-Messgerät" geführten Instrumente des Geräts wurden zur Untersuchung von frühen Phasen der Planetenentstehung und der Wechselwirkung des Marsbodens mit der Atmosphäre verwendet. Zentrale Komponenten des Geräts sind mehrere Hochgeschwindigkeitskameras mit verschiedenen Optiken), die zur Abbildung von schnellen, mikroskopischen Prozessen geeignet sind. Mithilfe des Geräts konnte erstmals der Bruch eines Mikrometeraggregates aus Staubpartikeln zeitlich und räumlich hoch aufgelöst (u.a. in 3d) beobachtet werden. Hierfür wird ein innerer Druck durch thermisches Kriechen erzeugt. Als Ergebnis liefern die Messungen nach der Analyse der Bilddaten Zugfestigkeiten, die Aussagen über die Stabilität und damit Möglichkeit der Bildung von mm bis cm großen Vorläufern von Planeten erlauben. Ohne die hohe Bildwiederholfrequenz sind solche Untersuchungen nicht möglich. Im gleichen Zusammenhang wurde und wird die Stabilität direkt in - ebenfalls durch die vorhandenen schnellen Kameras abgebildeten - Kollisionen untersucht, in denen Stöße von Mikrometer bis Zentimeter Partikeln aus einer Vielzahl von Materialen beobachtet wurden, die zur Bildung von Planeten von Bedeutung sind. Zur Bildauswertung stehen Workstations (Gerätekomponenten) zur Verfügung. Die Untersuchung reicht von Silikaten zu Eisenpartikeln, von Wassereis zu CO2-Eis. Die Experimente zeigen, hier exemplarisch erwähnt, dass Planetenentstehung mit Wassereis zunächst in den ersten Phasen einfacher ist als mit Staub und CO2. In der Nutzung mit einem Windkanal konnten die Kameras des Geräts zeigen, dass thermisches Kriechen auf dem Mars, durch die einfallende Sonnenstrahlung erzeugt, zu einer Kraft auf die Partikel im Boden führt, die den Wind derart unterstützt, dass 20% langsamerer Wind ausreicht, um Partikel von der Oberfläche abzulösen. In der dünnen Marsatmosphäre, in der selbst Stürme nur einen geringen dynamischen Druck ausüben, ist das von besonderer Bedeutung. Damit leistete das Gerät einen signifikanten Beitrag zu einem Grundproblem der Marsforschung. In zahlreichen weiteren Experimenten spielten die Möglichkeiten des Geräts, Staubproben im Mikrometerbereich zu erzeugen und in der Größe zu analysieren - beides Optionen bzw. Einzelkomponenten des Geräts - eine entscheidende Rolle, um die Abhängigkeit verschiedener Prozesse von der Partikelgröße bzw. die Entwicklung der Partikelgröße begleitend zu studieren. Ein Beispiel ist die Analyse von Kollisionen von Partikeln, die zuvor hohen Temperaturen ausgesetzt wurden, um Planetenentstehung nahe an einem Stern zu simulieren. Dies erfordert die Erzeugung von Mikropartikeln, die Verfolgung der Größenentwicklung beim Heizen und die hochaufgelöste Aufnahme von Stößen aus Aggregaten dieser Partikel. Hier zeigen sich interessante Abhängigkeiten vom radialen Abstand zum Stern, unter denen die Entstehung von Planetesimalen begünstigt sein könnte.

Publications

• Macroscopic Dust in Protoplanetary Disks - From Growth to Destruction, Astrophysical Journal, 796, 99 1-11, 2014
  J. Deckers and J. Teiser
  
• An Insolation Activated Dust Layer on Mars, Icarus, 260:23-28, 2015
  C. de Beule, G. Wurm, T. Kelling, M. Köster, and M. Kocifaj
  
• Thermal Creep Assisted Dust Lifting on Mars: Wind Tunnel Experiments for the Entrainment Threshold Velocity, Journal of Geophysical Research – Planets, 120:1346-1356, 2015
  M. Kuepper and G. Wurm
  
• Collisions of CO2 Ice Grains in Planet Formation, Astrophysical Journal, 818:16 1-10, 2016
  G. Musiolik, J. Teiser, T. Jankowski, and G. Wurm
  
• Collisions of Solid Ice in Planetesimal Formation, Monthly Notice of the Royal Astronomical Society, 456, 4328-4334, 2016
  J. Deckers and J. Teiser
  
• Ice Grain Collisions in Comparison: CO2, H2O and their Mixtures, Astrophysical Journal, 827:63 1-5, 2016
  G. Musiolik, J. Teiser, T. Jankowski, and G. Wurm
  
• Analog Experiments on Tensile Strength of Dusty and Cometary Matter, Icarus, 296:110-116, 2017
  G. Musiolik, C. de Beule, and G. Wurm
  
• Is there a Temperature Limit in Planet Formation at 1000 K?, Astrophysical Journal, 846:48 1-6, 2017
  T. Demirci, J. Teiser, T. Steinpilz, J. Landers, S. Salamon, H. Wende, and G. Wurm
  
• Sticking Properties of Ice Grains, in: EPJ Web of Conferences (Powders and Grains 2017), 140, 05007:1-4
  M. Jongmanns, M. Kumm, G. Wurm, D. E. Wolf, and J. Teiser