CO2-Eis im Kontext der Planetenentstehung

• Antragsteller: Dr. Jens Teiser
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413220058

Der erste Schritt der Planetenentstehung ist die Koagulation mikrometer-großer Staubpartikel zu Agglomeraten. Dieses Wachstum ist zunächst sehr effizient, stoppt aber bei einer typischen Größe von Millimeter bis Zentimeter. In diesem Größenbereich prallen Agglomerate eher voneinander ab anstatt in Kollisionen zusammenzuwachsen. In protoplanetaren Scheiben nimmt die Temperatur mit zunehmender Entfernung zum Stern ab. In einer kritischen Entfernung zum Zentralstern, der sogenannten Eislinie, beginnt auch Wasser zu Eis zu kondensieren und daher auch zu koagulieren. Die Kohäsion zwischen Eispartikeln ist dabei deutlich größer als bei Silikaten, da Eis durch seine polare Struktur größere Oberflächenkräfte ausbildet. Agglomerate aus Wassereis können daher voraussichtlich zu deutlich größerer Ausdehnung wachsen. Weiter außen sinken die Temperaturen in der protoplanetaren Scheibe weiter, sodass andere Gase ausfrieren. Hier sind insbesondere CO und CO2 die wichtigsten Gasarten. Die Oberfläche von Eispartikeln wird vom flüchtigsten Material dominiert, welches unter den Bedingungen kondensiert, da die weniger flüchtigen Materialien als Kondensationskeim dienen. Die Region, in der Wassereis die Oberflächen von Agglomeraten dominiert, wird daher durch die CO2-Eislinie begrenzt. Außerhalb der CO2-Eislinie wird das Kollisionsverhalten von Agglomeraten durch die Eigenschaften von CO2-Eis bestimmt. Obwohl bereits erste Experimente zur Koagulation von CO2-Eis existieren, fehlt bisher eine systematische Studie und nur ein sehr eingeschränkter Parameterbereich ist bisher untersucht worden. Das Ziel des hier beantragten Projekts ist daher eine systematische Studie zu Kollisionseigenschaften von Agglomeraten aus CO2-Eis in einem großen Größenbereich (< 100 µm – einige cm) und einem großen Geschwindigkeitsbereich (einige cm/s – 7 m/s) durchzuführen. Mit diesen Experimenten soll das selbst-konsistente Wachstum von CO2-Agglomeraten und die Porositätsentwicklung untersucht werden. Die Studie wird dabei alle theoretisch möglichen Kollisionsergebnisse (direktes Wachsen durch Haften, Abprallen, Wachstum durch Massentransfer, Erosion, vollständige Zerstörung von Mutterkörpern) abdecken. Mit den Ergebnissen dieser Studie wird es voraussichtlich möglich sein, CO2-Kollisionen in aktuelle Wachstumsmodelle für protoplanetare Scheiben zu integrieren. Zusätzlich sollen im Rahmen des Projekts Kontaktkräfte zwischen CO2-Partikeln direkt gemessen werden um so theoretische Modelle für Einzelkollisionen zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen