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Erzeugung makroskopischer, hochporöser Staubagglomerate und Konsequenzen für die Bildung größerer fester Körper im jungen Sonnensystem

Die Vorhersagen über die Stoßgeschwindigkeiten kleiner präplanetarer Körper im jungen Sonnensystem liefern wachsende Werte mit größer werdenden Staubagglomeraten. Sie sagen das Erreichen der kritischen Kollisionsgeschwindigkeit von ≈ 1 m/s bei dezimetergroßen Staubklumpen vorher. Versuche im Labor bei höheren Stoßgeschwindigkeiten zeigten, dass ein weiteres Wachstum der Körper aber über die »aerodynamische« oder »elektrostatische« Agglomeration prinzipiell möglich ist, denn die Geschwindigkeiten der sich bildenden Bruchstücke (Fragmente) relativ zum größeren Stoßpartner sind sehr klein, so dass diese durch Wechselwirkung mit dem umgebenden Gas des solaren Nebels bzw. auf Grund von Aufladungseffekten zu diesem zurückgetragen werden können (s. Abb. 1). Die durch diesen aerodynamischen oder elektrostatischen Prozess veranlassten Stöße der Fragmente mit dem protoplanetaren Körper finden dann bei sehr niedrigen Stoßgeschwindigkeiten (< 1 m/s) statt, so dass die ankommenden Fragmente mit hoher Wahrscheinlichkeit haften bleiben. Dies hat zur Folge, dass ein hochporöses Staubagglomerat wächst. Simulationsrechnungen zeigen, dass der Anteil der Hohlräume in solchen Körpern mindestens 85 % beträgt. So ergibt sich eine mittlere Massendichte von höchstens 15 % der die Agglomerate aufbauenden Materie (s. Abb. 2). Bis vor Kurzem konnten solche simulierten Protoplanetesimale nicht im Labor erzeugt werden. Durch unsere vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geförderten Vorarbeiten für ICAPS gelang es aber, eine Experimentieranlage aufzubauen (Abb. 3), mit der wir von uns als »Staubkuchen« bezeichnete Proben herstellen können. Diese entsprechen in ihrer inneren Struktur und in der Art ihrer Erzeugung exakt dem Idealbild von makroskopischen protoplanetaren Agglomeraten (s. Abb. 4). Wie von der Theorie gefordert, zeigen die Staubkuchen eine Porosität von ≥ 85% und sind mechanisch unerwartet stabil. Die Apparatur zur Erzeugung der Staubkuchen besteht aus einem schnell rotierenden Zahnrad, auf das eine vorher gut charakterisierte Staubprobe in Pulverform mittels eines Kolbens geschoben wird. Beim Kontakt mit der Stirnfläche des Zahnrads wird die verklumpte Staubprobe in ihre Einzelpartikel aufgetrennt, die so zusätzlich eine Vorzugsgeschwindigkeit tangential zum Zahnrad erhalten. Da sich die gesamte Apparatur in einer dünnen Gasatmosphäre von etwa 1/1000 des Umgebungsdrucks befindet, werden die wegfliegenden einzelnen Staubteilchen nach etwa 10 cm Flugstrecke auf die Geschwindigkeit des langsam nach oben strömenden Gases abgebremst. Diese Gasgeschwindigkeit ist höher als die Sinkgeschwindigkeit der Partikel auf Grund der Gravitation, so dass diese trotz der Erdanziehungskraft im Wesentlichen der Gasbewegung folgen und auf einem Filter abgeschieden werden können.

Es bleibt die Frage, ob im solaren Nebel die Planetesimale auch so hochporös waren oder ob es Prozesse gab, die deren Dichte erhöhten. Die innere Schwerebeschleunigung von Körpern im Größenbereich unterhalb einiger Kilometer ist so klein, dass dadurch keine Kompaktierung zu erwarten ist. Dennoch gibt es potenziell die Möglichkeit, durch äußeren Druck die agglomerierten Materieteilchen einander näher rücken zu lassen: Die Stöße, die ursprünglich zur Fragmentierung der kleineren Stoßpartner führten, sind in der Lage, am Einschlagort lokal kompaktere Bereiche zu erzeugen. Um das Ausmaß der Verdichtung zu ermitteln, haben wir im Labor Kompressionsversuche an den Staubkuchen unternommen und bei verschiedenen Drücken die Massendichte der Proben bestimmt. Da die maximalen Stoßgeschwindigkeiten im solaren Nebel bei rund 50 m/s liegen, besitzt auch der Druck, der bei einem solchen Stoß entsteht, ein Maximum. Unsere Messungen legen den Schluss nahe, dass kilometergroße Planetesimale und damit auch deren einzige noch intakte Überbleibsel im heutigen Sonnensystem, die Kometen, Porositäten von mindestens 65% besitzen dürften. Diese Werte sind mit den aus dem Auseinanderbrechen so genannter » Sungrazer«-Kometen bzw. aus Messungen von Vorbeiflügen von Raumsonden an Kometen ermittelten Dichteabschätzungen verträglich. Eine weitere wichtige Konsequenz des granularen Aufbaus der Planetesimale im jungen Sonnensystem ist ihre Möglichkeit, größere Mengen an Gasen zu adsorbieren, denn hochporöse Agglomerate besitzen eine enorm große (innere) Oberfläche von einigen Quadratmetern pro Gramm. Dies könnte erklären, warum die in primitiven Meteoriten gefundenen Edelgashäufigkeiten größer sind, als die der terrestrischen Planeten, bei denen der hydrostatische Druck einen porösen Aufbau verhindert.

 

 

Abb.1 Prinzip der aerodynamischen bzw. elektrostatischen Agglomeration als Basis für die Bildung von Planetesimalen im jungen Sonnensystem.

 
 
Abb. 2: Simulation eines »Staubkuchens« als Modell aerodynamisch gewachsener Protoplanetesimale. Ein kleiner würfelförmiger Ausschnitt aus dem dargestellten »Staubkuchen« zeigt die hohe Porosität des Materials. Die beiden Teilbilder können durch »Anschielen« zu einem dreidimensionalen, räumlichen Bild kombiniert werden.

 
 
Abb. 3: Schematische Darstellung der Apparatur zur Erzeugung von »Staubkuchen« im Labor. In einer Vakuumapparatur befindet sich ein Zahnrad-Staubdispergierer, der eine Staubprobe in ihre Einzelpartikel aufteilt, die dann mittels einer Strömung eines dünnen Gases nacheinander auf einem Filter abgelagert werden.

 

 
Abb. 4: Im Labor erzeugter »Staubkuchen«. Gezeigt ist links ein ca. 1 cm × 1 cm großes Stück eines »Staubkuchens«, das aus einer größeren Probe herausgeschnitten wurde. Rechts eine Aufnahme mit dem Elektronenmikroskop, welche die 1.5 Mikrometer großen Partikel und die dazwischen liegenden Hohlräume zeigt.
 
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Created by: D. Langkowski, 23.03.2001
Last modified: 28.07.2005