Contact Charging of Grains in (Pre-)Planetary Settings

Staub ist ein wesentlicher Bestandteil in der Planetenentstehung und spielt bei jedem Wachstumsschritt eine Rolle: Angefangen mit Staubkörnern in einer protoplanetaren Scheibe, die durch Kollisionen zu größeren Agglomeraten wachsen, über Erosionsprozesse auf Planetesimalen, die entscheidend für das Resultat der Planetenentstehung sind, bis hin zu Sandstürmen auf fertigen Planeten. Dabei sind wichtige Mechanismen vor allem hinter Agglomertion und Suspension noch nicht vollständig verstanden. Wie zum Beispiel können Wachstumsbarrieren wie die Bouncing Barrier in protoplanetaren Scheiben überwunden werden oder wie werden Sandpartikel vom Boden in die dünne Marsatmosphäre angehoben? Ein oft vernachlässigter Mechanismus, der jedoch Wachstumsprozesse und Interaktionen von Staubpartikeln signifikant beeinflusst, ist der triboelektrische Ladungsaustausch, der unweigerlich mit jedem Kontakt zwischen zwei Festkörpern – und potentiell dem Umgebungsmedium – stattfindet. Hier stelle ich gesammelt meine experimentellen Arbeiten zur Untersuchung von elektrostatischen Eigenschaften und Ladungsverhalten von (sub-)millimeter Partikeln und Staubaggregaten vor. Mithilfe von Mikrogravitationsplattformen und akustischer Levitation konnten in verschiedenen Experimenten Ladungsaustausch bestimmt und Partikel Interaktionen in Hinsicht auf elektrische Leitfähigkeit und materialspezifisches Ladungsverhalten analysiert werden. Zunächst gehe ich hier auf allgemeine Effekte von Kontaktladung ein, dann werden Zusammenhänge zur Planetenentstehung und planetaren Atmosphären und Oberflächen erläutert.

Solid dust grains are a substantial ingredient in planet formation and play a significant role in every step of the process. It starts with hit-and-stick collisions of singular dust grains in a protoplanetary disk. Later, the particle erosion rate of planetesimals is a deciding factor of whether or not a planet can actually form. When the  ormation has been successful, the climate of a finished planet is strongly dependent on eolian events i.e. dust suspended in the atmosphere. Important mechanisms behind dust coagulation, saltation and suspension are, however, not fully understood. How, for example, do protoplanetary particles overcome growth barriers and how are sand particles lifted within Mars’ thin atmosphere? One mechanism that is often neglected but heavily affects dust growth and particle interaction is tribocharging, as electric charge is being transferred between particles – and potentially the  urrounding medium – with every contact. Here, I present a range of experiments grappling with the electrostatic properties and charging behavior of (sub-)millimeter particles and dust aggregates. By utilizing microgravity platforms and acoustic levitation, contact charges can be determined and particle interactions are analyzed with regards to conductivity and material-specific charging behavior. In this introduction, I will first outline the general effects of tribocharging, then I discuss the experimental results in relation to planet formation and planetary surfaces.

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