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Lifting grains from a dust bed by interaction with optical radiation and gas at low ambient pressure

Beule, Caroline de

Experimente haben gezeigt dass die Beleuchtung von Staubbetten in einer gasarmen Umgebung zu einer effektiven Erosion von Staubpartikeln führt. Weitere Experimente unter Schwerelosigkeit zeigten dass ausgeworfene Staubartikel einem konvektiven Gasfluss folgten. Da thermische Konvektion bei der Abwesenheit von Gravitation ausgeschlossen werden kann, bleibt als Erklärung ein durch Licht induzierter Gasstrom der nicht nur oberhalb, sondern auch durch das Staubbett geht. Die Kräfte welche auf ein Partikel an der Oberfläche eines beleuchteten Staubbetts wirken sind Gravitation, Kohäsion, Photophorese, Thermophorese und Luftreibung. Desweiteren präsentiert diese Arbeit eine Kraft die auf einem Druckaufbau innerhalb des Staubbetts basiert. Die Größe der wirkenden Kräfte auf ein Oberflächenpartikel werden mit Hilfe von Experimenten abgeschätzt. Jedes der Experimente lieferte dabei neue Informationen von den wirkenden Kräften und die Ergebnisse zeigen deutlich dass die treibende Kraft bei der Erosion durch einen Überdruck innerhalb des Staubbettes und Luftreibung gegeben ist. Poröse Körper in protoplanetaren Scheiben können effektiv durch licht-induzierten Gasfluss erodiert werden, was eine Erklärung für den mikrometer-großen Staub sein kann, der über die gesamte Lebenszeit einer protoplanetaren Scheibe beobachtet wird. Eine weitere Anwendung findet sich auf dem Mars, bei welchem die Sonneneinstrahlung zu einer plantengroßen Gaspumpe führt. Das Gas aus der Atmosphäre wird in schattigen Orten in das Regolith gesogen, innerhalb des Regoliths weiter transportiert und in beleuchteten Orten wieder an die Oberfläche gepumpt. Das Pumpen des Gases durch den Marsboden kann das Abheben von Staub von der Oberfläche begünstigen.

Earlier experiments have shown that dust beds efficiently eject particles under illumination at low ambient pressure. Recent experiments performed in microgravity have shown a convective flow pattern, traced by eroded particles. As thermal convection can be ruled out without residual gravity, the explanation is a gas flow not only above but also through the dust bed. The forces acting on a surface particle of an illuminated dust bed are gravity, cohesion, photophoresis, thermophoresis and gas drag. In addition, another force based upon a pressure build-up within the dust bed is presented. Experiments were performed to determine the magnitude of each force. Each experiment revealed new information about the acting forces and the results clearly show that the main lifting force for light-induced erosion is based on the overpressure within the dust bed and gas drag. Porous bodies in protoplanetary disks can be efficiently eroded by the light-induced gas flow, which might be one explanation for the micron-sized dust observed over the entire lifetime of a protoplanetary disk. Another application is on Mars, where the solar insolation induces a planet wide gas pump in the regolith of the planet. Atmospheric gas is pumped into the soil at shadowed places, traverses underground and is pumped up again in illuminated regions. This also eases dust lifting.

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Beule, Caroline de: Lifting grains from a dust bed by interaction with optical radiation and gas at low ambient pressure. 2016.

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