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Ergebnisse Projekt 1

Experimentelle Impaktkraterbildung mit zweistufigen Leichtgasbeschleunigern am Fraunhofer Ernst-Mach-Institut (EMI)

Impaktexperimente im Labormaßstab sind von besonderer Bedeutung für die Untersuchung der hochdynamischen und komplexen Vorgänge, die bei Meteoriteneinschlägen auf planetaren Oberflächen auftreten. Projekt 1 nimmt hierbei eine zentrale Rolle innerhalb der MEMIN-Forschergruppe ein, da in diesem Projekt die Impaktexperimente durchgeführt, und die experimentellen Daten den anderen Teilprojekten zur Verfügung gestellt werden. Von zentraler Bedeutung ist in diesem Zusammenhang die Untersuchung physikalischer Prozesse wie zum Beispiel Kraterbildung und Auswurfdynamik. Ein großer Teil der natürlichen Targetmaterialien ist porös und kann Porenfluide enthalten. Deshalb ist die Untersuchung des Einflusses von Porenwasser und Porosität auf Kratermorphologie, Kraterwachstum und Auswurfdynamik von Bedeutung. Die Beschleunigung von Projektilen auf Geschwindigkeiten bis zu mehreren Kilometern pro Sekunde erfordert den Einsatz komplexer zweistufiger Leichtgasbeschleunigeranlagen (Abbildung 1).

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Abbildung 1. Zweistufige Leichtgasbeschleunigeranlagen des Fraunhofer Ernst-Mach-Instituts (EMI), welche im Rahmen des MEMIN-Projekts eingesetzt werden.

Mit der kleineren Beschleunigeranlage (Abbildung 1, linke Seite) kann der Impakt und der Auswurfsprozess sehr genau untersucht werden, da die Hochgeschwindigkeitskamera sowie die Hochleistungsblitze nahe beim Target positioniert werden können, wodurch eine sehr gute Ausleuchtung und eine hohe Auflösung erreicht wird. Mit der sehr großen Beschleunigeranlage (Abbildung 1, rechte Seite) können jedoch viel größere und massereichere Projektile beschleunigt werden. Somit lassen sich Impaktereignisse bei deutlich größeren kinetischen Energien untersuchen. Darüber hinaus ist die Durchführung von Impaktexperimenten bei unterschiedlichen Impaktenergien von Bedeutung für die Untersuchung von Skalierungseffekten.

Aufgrund der extrem kurzen Zeit, während der der Impakt, die Kraterbildung sowie der Auswurfsprozess stattfinden, werden spezielle Kameras, welche beispielsweise 100 000 Bilder pro Sekunde aufnehmen können, eingesetzt. Aufgrund der sehr kurzen Belichtungszeit von 1 µs kann eine hinreichend gute Ausleuchtung nur mit speziellen Hochleistungsblitzen erreicht werden (Abb. 2).

 

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Abbildung 2. Installation der Hochgeschwindigkeitskamera und der Hochleistungsblitze.

Ein typischer Ablauf des Auswurfsprozesses für einen Impakt in trockenen Sandstein ist in Abbildung 3 dargestellt. Das erste Bild zeigt einen kegelförmigen Auswurf, wobei es sich um mit hoher Geschwindigkeit ausgeworfene Partikel handelt. Im Zentrum bildet sich ein leuchtender, orangefarbener „Plume”, welcher offensichtlich aus erhitztem Material besteht. Das zweite und dritte Bild zeigt den voll ausgebildeten „Ejektakonus“. Der untere Teil dieses Kegels steilt sich zunehmend auf und geht in einen schlauchartigen Auswurf über. Dieser schlauchartige Auswurf bleibt für eine vergleichsweise lange Zeit bestehen. Aufgrund der Wechselwirkung zwischen Ejektamaterial und Restatmosphäre in der Targetkammer bildet sich eine Verwirbelung aus. Am Ende des Auswurfsprozesses werden vergleichsweise große Spallationsfragmente (angezeigt durch den roten Pfeil) bei relativ geringen Geschwindigkeiten ausgeworfen.

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Abbildung 3. Auswurfsprozess zu unterschiedlichen Zeiten. Ausgehend von einem kegelförmigen Auswurf mit einem zentralen „Plume“ aus erhitztem Material entwickelt sich eine schlauchartige Struktur
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Die Kraterbildung und der Auswurfsprozess hängen stark vom Grad der Wassersättigung des Targetmaterials ab: Krater, welche sich im nassen Sandstein bilden, besitzen größere Durchmesser und größere Volumina. Abbildung 4 zeigt zwei Krater, welche durch einen Impakt in trockenen (linke Seite) und nassen (rechte Seite) Sandstein gebildet wurden. Die Krater im trockenen Sandstein sind durch (1) eine weiße, zentraleVertiefung bestehend aus feinem, hochgeschocktem Material, (2) eine äußere Spallationszone sowie (3) Bereiche einsetzender Spallation, in denen die Spallationsfragmente nur teilweise vom Targetmaterial losgelöst sind, gekennzeichnet. Krater, welche in nassem Sandstein gebildet wurden, besitzen größere Durchmesser und Volumina und zeigen eine terrassenähnliche Spallationszone.

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Abbildung 4. Impaktkrater in trockenem (linke Seite) und nassem (rechte Seite) Sandstein. Beachte die unterschiedlichen Maßstäbe
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Weiterhin konnten größere Winkel zwischen dem Ejektakonus und der Targetoberfläche beim wassergesättigten Sandstein beobachtet werden. Abbildung 5 zeigt einen Vergleich der Auswurfdynamik zweier Experimente, wobei die obere Hälfte einen Impakt in trockenen, die untere Hälfte einen Impakt in nassen Sandstein (50% Sättigung) darstellt. Der Winkel zwischen dem Ejektakonus und der Targetoberfläche ist beim wassergesättigten Sandstein größer. Sowohl die Partikel des Ejektakegels als auch der zentrale „Plume“ besitzen beim nassen Sandstein eine höhere Geschwindigkeit. Beim trockenen Sandstein erscheint das Leuchten des „Plumes“ heller, was auf höhere Temperaturen hindeutet. Die Wechselwirkung zwischen den Auswurfpartikeln und der Restatmosphäre (≈ 300 mbar) erscheint beim trockenen Sandstein ausgeprägter als beim nassen Sandstein.

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Abbildung 5. Vergleich zweier auswurfsprozesse für trockenen (obere Hälfte) und nassen (untere Hälfte) Sandstein. Trotz konstant gehaltener Beleuchtung erscheint das eigenleuchten der Auswurfpartikel beim trockenen Sandstein heller. Die Auswurfsgeschwindigkeit ist beim nassen Sandstein höher
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Ausblick:

Der Einfluss der Porosität auf Kraterbildung und Ejektadynamik wurde kürzlich untersucht. Erste Ergebnisse zeigen ähnliche Winkel zwischen Ejektakonus und Targetoberfläche bei Quarzit (geringe Porosität) und nassem Sandstein. Dies führt zu der Annahme, dass die Porosität einen starken Einfluss auf die Auswurfdynamik hat: Wird die Porosität durch Porenwasser verringert, ergeben sich ähnliche Konuswinkel wie in Materialien mit geringer Porosität.

 

Tobias Hoerth

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