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Effekte thermischen Kriechens in granularer Materie

Köster, Marc

Frühere Experimente zeigen auf, dass durch Sonneneinstrahlung induziertes thermisches Kriechen wirksam Gas durch den Marsboden transportieren kann. Der Marsboden kann deswegen als granulare Pumpe betrachtet werden. Signifikante Druckdifferenzen durch den Knudsen-Kompressor und Gasströme können durch die Kombination aus niedrigem Umgebungsdruck und granularem Material entstehen. Zur Quantifizierung dieser Pumpe wird in einem Laborexperiment eine Stauboberfläche bei niedrigem Umgebungsdruck beleuchtet. Als Staubproben werden Quarz, Basalt und JSC-Mars 1A mit unterschiedlichen Korngrößenverteilungen verwendet. Zur Analyse werden der experimentelle Umgebungsdruck und die Beleuchtungsintensität variiert. In den Untersuchungen werden eindeutig Gasflüsse und Druckdifferenzen in den Staubproben gemessen. Es kann demonstriert werden, dass granulare Pumpen wie der Marsboden analytisch mit einem Modell, in dem die mittlere Korngröße und die Temperaturverteilung des Materials enthalten sind, beschrieben werden können. Des Weiteren werden im Kontext der durch Staubteufel ausgelösten Staubbewegungen auf der Marsoberfläche in einem Experiment Druckdifferenzen über eine granulare Basaltprobe eingestellt. Die Ergebnisse demonstrieren, dass bei bestimmten Druckdifferenzen Partikeleruptionen auf der Oberfläche der Probe zu beobachten sind. Gemessene Grenzwerte sind vor allem von der Tiefe und Permeabilität des Staubbetts abhängig. Die Messungen dieser Studie unterstützen die Idee der Staubmitführung durch Staubteufel aufgrund des p-Effekts. Als technische Anwendung kann der Effekt des thermischen Kriechens dazu benutzt werden, ein Ensemble aus mm-großen porösen Quarzaggregaten über einer Heizplatte zu levitieren und Stoßprozesse zu beobachten. Mit dem dazu durchgeführten Experiment kann die Frühphase der Planetenentstehung, in der kleine Körper mit einer Geschwindigkeit von mm bis cm pro Sekunde in einer protopla- netaren Scheibe kollidieren, untersucht werden. Die Ergebnisse des Experiments zeigen, dass trotz beobachteter haftender Kollisionen kein stabiles Wachstum zu größeren Körpern in einem simulierten Zeitraum von über 106 Jahren beobachtet werden kann. Mit den gewählten experimentellen Parametern kann die Bouncing Barrier, die eine zentrale Wachstumshürde der Planetenentstehung darstellt, bestätigt werden.

Previous experiments show that thermal creep, induced by solar irradiation, can efficiently transport gas through the Martian soil. The ground can therefore be regarded as a granular pump. Significant pressure differences, caused by the Knudsen compressor and gas flows, can result from the combination of low ambient pressure and granular material. To quantify this pump, a dust bed is illuminated in a laboratory experiment at a low ambient pressure. Quartz, basalt and JSC-Mars 1A with different grain size distributions are used as dust samples. The experimental ambient pressure and the illumination intensity are varied for analysis. Gas flows and pressure differences are clearly measured for the dust samples. It can be demonstrated that granular pumps such as the Martian soil can be described analytically with a model in which the mean grain size and the temperature distribution of the material are contained. Furthermore, in context of induced dust movements by dust devils on the Martian surface, pressure differences are set through a granular basalt sample. The results demonstrate that, at certain pressure differences, particle eruptions can be observed on the surface of the sample. Measured threshold values depend on the depth and permeability of the dust bed. The measurements of this study support the idea of dust entrainment due to the p-effect. As a technical application, the effect of thermal creep can be used to levitate an ensemble of mm-sized porous quartz aggregates over a hot surface and to observe impact processes. With the corresponding experiment the early phase of planet formation, in which small bodies collide at a speed of mm to cm per second, can be investigated. The results of the experiment show that, despite of detected sticking collisions, no stable growth to larger bodies can be observed in a simulated period of more than 106 years. With the selected experimental parameters, the bouncing barrier, being an essential growth barrier of planetary evolution, can be confirmed.

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Köster, Marc: Effekte thermischen Kriechens in granularer Materie. 2018.

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