STARK: Stabile Triboelektrische Aggregation durch Reibung und Kollisionen

Abstract

In protoplanetaren Scheiben entstehen Millimeter große Aggregate aus Mikrometergroßen Staubpartikeln durch Kollisionen und Haftung der Staubpartikel. Diese Wachstumsphase führt dann zunächst zu einer Phase, in der die Aggregate kompaktieren, die Stöße elastisch werden und so kein weiteres Wachstum mehr stattfindet. Die Entstehung größerer Cluster aus Aggregaten ist möglich, wenn sich die Aggregate in den Stößen elektrostatisch aufladen. In früheren Arbeiten wurde dieser Prozess mit sphärischen, monolithischen Partikeln untersucht. Offen und Hauptziel des Vorhabens war die Frage zu beantworten, ob sich auch realistischere Staubaggregate aufladen und sich daraus größere, stabile Cluster bilden können. Hierzu wurden Experimente am Fallturm Bremen durchgeführt. In mehreren Kampagnen wurde das Verhalten verschiedener Staubproben untersucht. Während elektrisch minimal leitfähige Proben sich stark durch äußere elektrische Felder beeinflussen lassen und z.B. von planetaren Oberflächen abgelöst werden können, konnte in der Tat gezeigt werden, dass sich nicht leitfähige Proben stark aufladen und zur Bildung von Clustern führen können, die mindestens eine Größenordnung über der Größe der Aggregate liegen. Entladungsexperimente zeigen, dass der Ladungszustand auch über lange Zeitskalen erhalten bleiben kann. Damit wurde das Ziel des Vorhabens erreicht. Die Zentimeter großen Cluster können sich durch weitere Prozesse in protoplanetaren Scheiben zu km-großen Planetesimalen und weiter zu Planeten entwickeln. Triboelektrische Aufladung ist ein möglicher Prozess, um aus (sub)-Millimeter Partikeln mehreren Zentimeter große Cluster entstehen zu lassen. Datei-Upload durch TIB In protoplanetary disks, millimeter sized aggregates form from micrometer sized dust by sticking collisions. This growth phase then leads to a next phase, where the aggregates become compacted, and collisions become elastic. This way, the aggregates only bounce off each other in further collisions. However, the formation of larger clusters of these aggregates is possible if the aggregates electrostatically charge in these collisions. In earlier works, this charge moderated growth was studied, using spherical, monolithic particles. It is an open question and was the main goal of STARK to answer if also the more realistic dust aggregates charge in collisions and if larger clusters emerge from this. Therefore, experiments at the drop tower in Bremen were carried out. In several campaigns the behavior of different dust samples was studied. On one side, slightly electrically conductive samples can be influenced strongly be external electric fields and, e.g., be lifted from planetary surfaces. On the other side, it could indeed be shown that non-conductive samples charge strongly in collisions and lead to the formation of clusters, at least an order of magnitude larger than the aggregates. Discharge experiments show that the charge state can be sustained over long periods. Therefore, the main goal of the project was reached. The centimeter sized clusters can evolve further to km-sized planetesimals and further to planets. Triboelectric charging is one possible process to form the necessary centimeter to decimeter clusters from (sub)-millimeter particles.