Granular Gases of Anisotropic Particles

• Applicant: Professor Dr. Ralf Stannarius
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics ; Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2013 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 235708415

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Im Projekt wurde hauptsächlich das Verhalten granulärer Gase unter Mikrogravitationsbedingungen experimentell untersucht. Wir haben dazu vor allem Fallturmexprimente am ZARM (Bremen) durchgeführt und ausgewertet. Wir finden dabei folgende wichtige Resultate: • Haff’s Modell für das Abkühlen eines granularen Gases sagt die korrekten asymptotischen Zeitabhängigkeiten voraus, obwohl einige zentrale Voraussetzungen für die Anwendbarkeit dieses Modells nicht erfüllt sind. • Die Gleichverteilung der Bewegungsenergien auf die Freiheitsgrade des Systems wird nach einer kurzen der Anregung folgenden Zeitspanne der Homogenisierung des Systems (etwa 5x Haff-Zeit) realisiert, wobei die translatorischen Bewegungen allerdings immer noch etwa 10-20% mehr kinetische Energie pro Freiheitsgrad aufweisen. • Die Rotation um die lange Achse der Stäbe, die praktisch nur über Reibungskräfte angeregt wird, enthält im Mittel Bewegungsenergien, die mit denen der anderen Bewegungen nahezu vergleichbar sind, sie sind nur um etwa eine Größenordnung geringer, obwohl das damit verbundene Trägheitsmoment um fast zwei Größenordnungen geringer ist. Man vergleiche das mit den Bewegungsfreiheitsgraden zweiatomiger Gase in der kinetischen Gastheorie, wo unter Normalbedingungen nur zwei Rotationsfreiheitsgrade angeregt sind (aus quantenmechanischen Gründen). • Während praktisch des gesamten Experimentes beobachten wir homogenes Abkühlen, Anzeichen für Clusterbildung sehen wir erst am Ende des Experimentes, wo die kinetische Energie schon auf deutlich weniger als 1% der ursprünglichen Energie abgefallen ist. • Stäbchen eines granularen Gases haben eine bevorzugte Ausrichtung bezüglich ihrer Bewegungsrichtung, auch bei großer Verdünnung. Sie rotieren eher wie Speichen eines Rades, seltener wie Propeller. Die Ursache liegt darin, dass Kollisionen eines momentan quer zur Bewegungsrichtung fliegenden Stäbchens häufiger auftreten als bei einer momentanen Längsausrichtung. Diese Ausrichtung verändert die Kollisionsstatistik als Grundlage des Haff-Modelles, sie sollte also zu etwas langsamerer Abkühlung führen. • Das Projekt hat die ersten Ergebnisse einer experimentellen Charakterisierung homogen abkühlender granularer Gase in 3D geliefert, an diesen lassen sich die in großer Zahl vorhandenen theoretischen Arbeiten testen, und künftige Arbeiten zur Simulation oder analytischen Beschreibung bewerten. Gleichzeitig ist die Eignung des gewählten experimentellen Ansatzes für weitere Experimente nachgewiesen worden. Eine Untersuchung der Dynamik eines Stabes auf einer vibrierenden Platte lieferte quantitative Ergebnisse zum Energie-Eintrag in die einzelnen Bewegungsfreiheitsgrade, als Grundlage des Verständnisses der Anregungseffizienz granularer Gase durch mechanische Vibrationen. Da die geplante Realisierung eines suborbitalen Raketenexperimentes aus technischen Gränden unmöglich war, wurde das Experiment für einen neuen geplanten Start modifiziert. Ein Experiment mit granularen Gasen stäbchenförmiger Partikel bei starker Anregung ist von uns in das ESA-Projekt VIPGRAN integriert worden. In diesem Rahmen wird ein solches System zur Zeit für einen ISS-Flug vorbereitet.

Publications

• (2018) Free Cooling of a Granular Gas of Rodlike Particles in Microgravity. Physical review letters 120 (21) 214301
  Harth, Kirsten; Trittel, Torsten; Wegner, Sandra; Stannarius, Ralf
  
• Three-dimensional (3D) experimental realization and observation of a granular gas in microgravity. Adv. Space Res., 55 1901-1912, (2015)
  Kirsten Harth, Torsten Trittel, Kathrin May, Sandra Wegner, Ralf Stannarius
  
• Experimentelle Untersuchung formanisometrischer Granulate im Scherfluss - Partikel im Split-Bottom-Schercontainer und im Silo, Dissertationsschrift, Magdeburg (2016)
  Sandra Wegner
  
• Free Cooling of a Granular Gas in Three Dimensions
  K. Harth, T. Trittel, S. Wegner, R. Stannarius
  
• Mechanical excitation of rod-like particles by a vibrating plate. Phys.Rev.E, 95 062904 (2017)
  Torsten Trittel, Kirsten Harth, Ralf Stannarius