Forschung - Astrophysik - Prof. Dr. Gerhard Wurm

IROCS: Der Einfluss kosmischer Strahlung auf die Aufladung von granularen Medien
Experimente mit granularen Medien auf der ISS deuten darauf hin, dass die elektrostatische Aufladung einzelner Partikel durch Stöße dort reduziert zu sein scheint. Zudem geht erzeugte Ladung schnell wieder verloren. Dies legt nahe, dass die Aufladung durch die kosmische Hintergrund Strahlung, die auf der ISS etwa 100-mal höher als auf dem Erdboden ist, reduziert wird. Im Rahmen des deutsch-schwedischen Studentenprogrammes REXUS/BEXUS soll erforscht werden, in wiefern die Strahlung in bis zu 30 km Höhe eine Reduzierung der Ladung bei der Stoßaufladung bewirkt. Dazu wird ein Experiment an Bord des Stratopshärenballons BEXUS29 betrieben.

INKA: Vom Winde verweht: Wie stabil sind Planetesimale im protoplanetarem Wind?

Planetesimale bewegen sich in einer protoplanetaren Scheibe im Keplerorbit um den Zentralstern und sind dabei einem Gegenwind von 50 m/s Geschwindigkeit ausgesetzt. Je nach Entstehungsmodell kann ein Planetesimal aus einer losen Ansammlung mm bis cm-großer Staubaggregate bestehen. In einem Niederdruck-Windkanal wird in Parabelflügen untersucht unter welchen Bedingungen solche Objekte gegenüber Erosion durch Wind stabil sind. Das Projekt wird gefördert durch das DLR Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (50 WM 1760).

LANNISTER: Entstehung zentimetergroßer Aggregate durch Aufladung in Stößen
Bei der Entstehung von Planten ist bislang ungeklärt, ob mm-große Staubpartikel durch Kollision weiterwachsen, da sie ab Millimetergröße regelmäßig voneinander abprallen. Mit Hilfe von elektrostatischer Ladung in diesen Stößen kann es aber zu attraktiven Kräften kommen, die am Ende zu größeren Aggregaten führen. In Fallturmexperimenten werden mm-große dielektrische Kugeln durch Kollisionen aufgeladen und deren Verhalten in einem Kondensator beobachtet. Es kommt zur Entstehung von cm-großen Aggregaten, die aus verschieden geladenen Partikeln bestehen. Durch Polarisation und Dipolmomente unterscheiden sich die Kollisionseigenschaften von geladen Partikeln deutlich von denen ungeladener Partikel.
(Gefördert durch das DLR Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie, 50WM1762)

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Streaming Instabilitäten im Labor:
Streaming-Instabilitäten werden aktuell erforscht, um Probleme beim Wachstum von Planetesimalen durch Kollisionen zu überwinden. In einer protoplanetaren Scheibe interagiert das Gas über Gasreibung mit den Partikeln, die Partikel üben gleichzeitig jedoch auch eine Rückreaktion auf das Gas aus. In Simulationen wurde gezeigt, dass diese Rückreaktion zur Konzentration von Partikeln und schließlich zur Bildung von Planetesimalen führen kann. Die sogenannte Streaming Instabilität wurde bisher nur in Simulationen beobachtet. Wir haben uns zur Aufgabe gemacht, Aspekte davon auch im Labor zu untersuchen. Daher analysieren wir Partikelwolken z.B. aus Glashohlkugeln bestehend, die in einer Levitationskammer unter niedrigem Druck eingeschlossen sind. Man sieht dann z.B., dass Partikel in dichten Systemen viel schneller sedimentieren als in dünnen Systemen. Die Sedimentationsgeschwindigkeit hängt von der Partikelanzahldichte und den Abständen zwischen den Partikeln oder der „Closeness“ ab.

Überlagerung-7

Eisen: Die Rolle von ferromagnetischem Eisen in der Planetenentstehung.
Eisen ist eines der häufigsten Elemente in protoplanetaren Scheiben und somit wichtiger Baustein von Gesteinsplaneten. So macht beispielsweise der Eisenkern des Merkurs, dem innersten Planeten unseres Sonnensystems, etwa 70% der gesamten Planetenmasse aus. Hier stellt sich die Frage, wie die Kollisionsdynamik ferromagnetischer Eisenpartikel während der Planetenentstehung durch Magnetfelder beeinflusst wird, die in der protoplanetaren Scheibe im Bereich einiger Millitesla liegen. Wir quantifizieren den Effekt anhand frei levitierter Eisenaggregate, die im Magnetfeld aufgrund der Dipolwechselwirkung zu größeren kettenartigen Strukturen wachsen (siehe Bild). Darüber hinaus untersuchen wir eine mögliche selektive Aggregation in einem interagierenden Ensemble aus Eisen- und Silikatpartikeln im Magnetfeld.

Eisen Gif

Erosion (proto)-planetarer Oberflächen durch Licht. Bei geringem Atmosphärendruck können Staubpartikel von der Oberfläche eines Körpers abheben, wenn er beleuchtet wird. Grund dafür sind die Temperaturgradienten, die sich durch die Beleuchtung einstellen und die (bei geringem Gasdruck) zu einem thermischen Kriechen in den Poren des Staubbettes führen. Dies wiederum ist mit Kräften wie Photophorese, Thermophorese oder gar der Erzeugung eines Knudsen Kompressors verbunden. Die Bedingungen für diesen Prozess finden sich in protoplanetaren Scheiben nahe am Stern. Hier können kleine staubige Körper stark erodiert werden, was für die Planetenentstehung eine Rolle spielt. Aber auch auf dem Mars findet der Effekt Anwendung, um Staub in die Atmosphäre des Planeten einzubringen.

Eruptions

Photophorese. Bewegung durch Licht ist bereits in obigem Forschungsfeld enthalten, aber insbesondere für frei bewegliche Partikel von großer Bedeutung. Photophorese ist bereits seit dem 19. Jahrhundert bekannt. Wenn Partikel in einem dünnen Gas beleuchtet werden, dann bewegen sie sich - in der Regel entfernen sie sich von der Lichtquelle. In protoplanetaren Scheiben transportiert der Effekt Material von innen nach außen. Die Details der Kraft sind noch nicht verstanden aber von Bedeutung für die Planetenentstehung. Wir untersuchen den Effekt im irdischen Labor, unter Schwerelosigkeit und in Computerrechnungen.

Thermische Eigenschaften von Chondren. Chondren, mm-große sphärische Partikel, sind häufige Bestandteile in Meteoriten und damit in Asteroiden. Photophorese könnte sie im frühen Sonnensystem transportiert und z.B. nach Größe sortiert haben. In Experimenten und numerischen Rechnungen untersuchen wir die für ein tieferes Verständnis notwendigen thermischen Eigenschaften. In Experimenten bestimmen wir die Temperaturverteilung auf der Oberfläche durch hochaufgelöste Thermographie. Zur Modellierung werden reale Chondren durch Tomographie dreidimensional dargestellt (Jon Friedrich, New York) und darauf basierend wird der Wärmetransport durch eine beleuchtete Chondre berechnet. Dies erlaubt weitere Rückschlüsse auf den Transport in protoplanetaren Scheiben.

Freie kohäsive granulare Medien in 2d. Wir haben entdeckt, dass man Staubaggregate im Temperaturgradienten über einer Oberfläche bei geringem Druck zum Schweben bringt. Hierfür verantwortlich ist ein Knudsen Kompressor, der darauf beruht, dass kaltes Gas durch die Poren nach unten gelangt und zu einem Überdruck führt. Bereits 1909 konstruierte Knudsen einen solchen Kompressor. Auf diese Weise können Partikelensemble aus sehr vielen Aggregaten untersucht werden z.B. im Hinblick auf Kollisionen oder Photophorese.

Wachstum von Eisaggregaten und die Entstehung von Planetesimalen. Auch Eispartikel können nach obigem Prinzip zum Schweben gebracht werden. Dies erlaubt die Untersuchung der Dynamik der Eisaggregation, der Sublimation etc. Weitergehende Anwendung findet dies bei der Entstehung von Planeten im äußeren Sonnen- bzw. Planetensystem, da Wassereis als Festkörper hier sehr häufig vorkommt. Unsere Arbeit in diesem Bereich ist eingebettet in das European Initial Training Network.

Gasfluss in protoplanetaren Scheiben und auf dem Mars: geringer Druck, hohe Geschwindigkeit. Staub und größere Körper in protoplanetaren Scheiben bewegen sich nicht im Vakuum. Sie sind umgeben von einem dünnen Gas, das für sehr viele Prozesse von Bedeutung ist. Wir untersuchen in einem Niederdruck Windkanal und numerisch, wie sich hohe Windgeschwindigkeiten auf die Entstehung von größeren Körpern auswirken kann, z.B dadurch, dass ausgeworfene Partikel nach einer Kollision zur Oberfläche zurückkehren. Ebenfalls bei geringem Druck ist ein aktuelles Thema auch, wie Wind auf dem Mars dazu beiträgt, Partikel vom Boden in die Atmosphäre einzubringen. Wir kombinieren diese Untersuchung mit dem gleichzeitigen Einfluss der Photophorese.

Hochgeschwindigkeitskollisionen. Planeten beginnen ihre Entstehung in Kollisionen von Staubaggregaten. In den Anfangsphasen können hierbei Kollisionsgeschwindigkeiten von bis zu 100 m/s auftreten. In Laborexperimenten untersuchen wir, welche Kollisionen noch zu einem Wachstum führen können und wie die Details des Wachstums in diesen "Hochgeschwindigkeitsstößen" aussehen. Dazu betrachten wir sowohl Einzelstöße als auch die Entwicklung größerer Körper bei kontinuierlich stattfindenden Impakten.