Experimente zur Partikel-Gas-Wechselwirkung im Kontext der Planetenentstehung

In protoplanetaren Scheiben entstehen aus mikrometergroßen Teilchen durch Wachstums- und Konzentrationsmechanismen innerhalb weniger Millionen Jahre Planeten. Besonders die ersten Phasen der Bildung von Planetesimalen sind aufgrund mehrerer Wachstumsbarrieren Gegenstand der Forschung. Um diese Barrieren zu überwinden, ist die Wechselwirkung der Partikel mit dem Gas entscheidend. Insbesondere werden das poröse Wachstum von Partikeln durch Hit-and-Stick-Mechanismen und Partikelkonzentration durch die Streaming Instability oder Druckmaxima diskutiert.

Die bisherige Forschung zu dieser Thematik ist eine Domäne von analytischen Untersuchungen und numerischen Simulationen. Im Mittelpunkt dieser Doktorarbeit stehen Laborexperimente zum systematischen Verhalten von dichten Partikelwolken und porösen Partikeln in dünnem Gas. Die Teilchenwolken wurden in einem Levitationsexperiment unter Erdgravitation und auf der ISS in einem Mikrogravitationsexperiment untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich Partikel oberhalb eines kritischen Partikel-Gas-Massenverhältnisses kollektiv verhalten und sich die Sedimentationsgeschwindigkeiten im Stokes-Bereich in Abhängigkeit der Nähe der Partikel zueinander und des Partikel-Gas-Verhältnisses erhöhen. Diese Abhängigkeit ist für Partikel mit kleiner Stokes-Zahl größer. Ebenso steigt in den Experimenten der Schwellenwert zum kollektiven Verhalten mit der Stokes-Zahl; Partikel mit kleinen Stokes-Zahlen verhalten sich immer kollektiv.

Die porösen Teilchen wurden in einem Niederdruck-Windkanal hinsichtlich ihrer Strömungswiderstände analysiert. Poröse Partikel haben im Übergangsbereich von der kontinuierlichen zur molekularen Strömung einen höheren Strömungswiderstand als ihr projizierter Querschnitt erwarten lässt. Dieser Effekt ist mit abnehmenden Volumenfüllfaktoren größer und erhöht den Widerstand in den Experimenten um bis zu einem Faktor 12.

Die Ergebnisse und daraus resultierenden Modelle über das Verhalten von Teilchen in dünnen Gasen können genutzt werden, um die numerischen Modelle für protoplanetare Scheiben zu erweitern und neue Erkenntnisse über die Planetenbildung zu gewinnen.

In protoplanetary disks, planets are formed from micrometre-sized particles by growth and concentration mechanisms within a few million years. Especially the first phases of the formation of planetesimals are the subject of research due to several growth barriers. To overcome these barriers, the interaction of particles with the gas is crucial. In particular, the porous growth of particles through hit-and-stick mechanisms and particle concentration through streaming instability or pressure maxima are discussed.

Previous research on this topic has been the domain of analytical investigations and numerical simulations. This thesis focuses on laboratory experiments on the systematic behaviour of high-density particle clouds and porous particles in thin gas. The particle clouds were investigated in a levitation experiment under Earth gravity and on the ISS in a microgravity experiment. It was shown that particles above a critical particle-gas mass ratio behave collectively and the sedimentation velocity in the Stokes-regime increases as a function of the closeness of the particles to each other and the particle-gas ratio. This dependence is more sensitive for particles with small Stokes-number. The threshold to collective behaviour increases with Stokes number and particles with small Stokes numbers always behave collectively.

The porous particles were analysed in a low-pressure wind tunnel with regard to their drag. Porous particles have a higher drag in the transition region from continuous to molecular flow than their projected cross-section would suggest. This effect is larger for decreasing volume filling factors and increases the resistance by up to a factor of~12.

These findings and resulting models on particle behaviour in thin gases can be used to extend the numerical models used for protoplanetary disks and to gain new insights into planet formation.

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