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Ergebniss Projekt 4

Zerstörungsfreie Prüfung bei Hochgeschwindigkeitsexperimenten und Auswertung der Schädigung im Inneren des Gesteins

Ziele des Projektes:

Die Hauptaufgabe von Projekt 4 besteht darin die Laborperspektive der Kraterprozesse unter Verwendung von Techniken, die auf der Ausbreitung elastischer Wellen beruhen, zu untersuchen. Hierbei werden zerstörungsfreie Prüfmethoden (ZfP-Methoden) angewendet und auf geophysikalische Messungen bezogen. Einerseits sollen Daten gesammelt werden und geophysikalische (petro-physikalische) Eigenschaften von dem Target und die dreidimensionale Schädigungszone unterhalb des Kraters charakterisiert werden. Andererseits werden die Daten mit der numerische Simulation und der mikroskopischen Untersuchung der Schädigungszone, sowie mit Felddaten verglichen. Die Laborperspektive hilft die Kraterprozesse auf eine Art und Weise zu untersuchen, die Felddaten nicht liefern können, da während des Versuches die experimentellen Parameter bereits bekannt sind und kontrolliert werden können. Die Kraterexperimente beinhalten die Änderung vom Target-Material, sowie die Veränderung der Projektil-Parameter. Diese Veränderung und ebenfalls der Effekt auf die Kraterbildung kann an terrestrischen Kratern nicht allein durch geophysikalische Messmethoden untersucht werden. Die Simulation benötigt wahre Daten um die Modell zu verbessern, daher sind die zerstörungsfreien Messungen als Verbindungsglied zwischen den Laborexperimenten, der numerischen Modelle und den Felddaten zu betrachten.

Schallemissions-Analyse Messungen werden ähnlich der seismischen Methoden zur Lokalisierung einer Quelle (der Impakt oder einzelne Risse) und zur Analyse der sich ausbreitenden Welle im Gestein genutzt.

Ultraschall Tomographie ist ein bildgebendes Verfahren, welches eine dreidimensionale Geschwindigkeitsverteilung der P-Wellen Geschwindigkeit in dem Target zeigt. Diese Messungen können vor und nach dem Experiment durchgeführt werden, sodass ein vergleichendes Bild entsteht.

Während der Experimente werden wesentliche Parameter, wie das Target Material, Projektil Material, Impact Geschwindigkeit und dementsprechend auch die Energy, verändert. Diese Parameter haben Einfluss auf die Wellenausbreitung im Target und auf die entstehende Schädigung unterhalb des Kraters.

Experimenteller Aufbau während der Impakt-Experimente:

Da die Experimente alle in einer Druckkammer mit Unterdruck stattfinden, ist es nicht leicht, Informationen über das Kraterwachstum während der Experimente zu erhalten. Schallemissions-Analyse (SEA) wird zur Aufzeichnung der Ausbreitung von elastischen Wellen verwendet werden. Dabei werden Sensoren auf der Oberfläche des Targets mit einer guten Herdüberdeckung verteilt und hochauflösende Daten aufgezeichnet. Während die Aufzeichnung der Daten an sich kein Problem darstellt, ist es nicht einfach eine eindeutige Lokalisierung mit Hilfe der Daten für einzelne Events durchzuführen. Die Größe der Probe und damit die geringe zeitliche Differenz zwischen den Ankunftszeiten und die sehr hohe Amplitude des Impaktes erschweren die Auswertung der Daten. Neben der Lokalisierung einzelner Events wird auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der ersten Welle untersucht. Wichtig für eine gute SEA Messung ist der Aufbau des Messsystems. Dazu werden die Sensoren auf dem gesamten Target verteilt. Bei einzelnen größeren Targets wurde zusätzlich Sensoren in Bohrlöchern versenkt.

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Nach dem Aufbau des Messsystems wird die Aufzeichnung des akustischen Signals über die Messeinheit gestartet.

 

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Eine Auswertung der Signale gibt Auskunft über den Impaktort. Dieser kann über die Laufzeitdifferenzen an den einzelnen Sensoren gut berechnet werden.

 

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Zusätzlich erhalten wir die Ausbreitungsgeschwindigkeit der ersten Welle (P-Welle) im Target.

tl_files/fotos/Results/TP4/Wave_velocities.png

 

Messungen vor und nach den Impakt-Experimenten:

Die Charakterisierung des Targets vor dem Impakt ist sehr wichtig um die Ergebnisse nach dem Impakt richtig deuten zu können. Sind bereits existierende Risse in dem Target bekannt, so können diese bei der späteren Schädigungsanalyse keine Fehlschlüsse zulassen. Um über den Zustand des Targets eine gute Aussage machen zu können wurden zwei verschiedene Messmethoden angewendet.

Die Ultraschall Tomographie gibt eine dreidimensional Geschwindigkeitsverteilung mit einem 1 cm Raster für das Taget. Dabei werden im Zentimeter Abstand Durchschallungsmessungen an der Oberfläche des Targets durchgeführt und aus der Laufzeit und des zurückgelegten Weges die Geschwindigkeit berechnet. Durch die Messungen in alle drei Raumrichtungen kann ein Geschwindigkeitsfeld für das gesamte Target berechnet werden. Diese Geschwindigkeiten beruhen auf der Annahme, dass der Laufweg gerade ist und auf diesem Weg konstant bleibt. Die folgenden Abbildungen (a) und (b) zeigen Schnittebenen von einem Quarzit Target vor dem Impakt Experiment. Die Abbildungen (c) und (d) zeigen das gleiche Target nach dem Experiment.

 

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Ultraschalltomographie-Videos:

Quarzittarget vor dem Impakt

Quarzittarget nach dem Impakt


Zusätzlich wurden in Kooperation mit dem Wehrwissenschaftlichen Institut der Bundeswehr (WIWeB) Messungen an einem radiographischen Mikro-Computer Tomographen durchgeführt. Diese Messungen wurden ausschließlich nach dem Experiment angefertigt.

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Die Schädigungszone unterhalb der Kraterstruktur ist ein wichtiger Parameter für Impakt-Studien. Wir vergleichen das Target Material, Impakt Energie, Kratervolumen und die Schädigungszone der einzelnen Experimente miteinander und wollen so eine Aussage über die entstehende Schädigung unterhalb terrestrischer Krater geben und so einen Ansatzpunkt für geophysikalische Messungen zeigen. Bisher ist deutlich erkennbar, dass die Schädigungstiefe stark vom Target Material und der Impakt Energie abhängig ist. Je weniger dicht das Material und umso höher die Energie, desto größer ist der geschädigte Bereich unterhalb des Kraters.

Die zweite Methode zur Charakterisierung vor und nach dem Experiment ist die Messung der elastischen Module. Dabei können wir die Unterschiede von Materialien mit und ohne Schädigung gut vergleichen. Um die elastischen Module zu berechnen verwenden wir die Messmethode der Modalen Schwingungsanalyse. Schädigungen in einem Material verändern die Frequenzen der torsionalen, flexuralen und longitudinalen Eigenmoden. Die Werte der elastischen Module sinken prozentual im gleichen Maße wie die gemessenen Frequenzen.

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Verbindung zu weiteren MEMIN-Projekten:

Letztendlich werden die Ergebnisse, welche mit zerstörungsfreien Prüfmethoden gemessen werden mit den Ergebnissen in den anderen MEMIN Projekten verglichen und kombiniert. Die SEA Messungen werden ausgewertet um damit den wahren Impaktort zu rekonstruieren (Vergleich Projekt 6, Kratermorphologie) und eventuell auf Rissentstehungen kurz nach dem Impakt hindeuten. Die Geschwindigkeit der sich ausbreitenden ersten Welle (P-Welle) wird für die numerische Berechnung in Projekt 5 verwendet um die Wellenausbreitung besser zu berechnen.

Die Ergebnisse der Schädigungszone mit bildgebenden tomographischen Methoden werden mit den Ergebnissen aus Projekt 2 verglichen und kombiniert. Beide Resultate können Informationen für die Berechnung der Schädigungszone in Projekt 5 beitragen.

Auch die Berechnung und Messung der elastischen Module helfen die numerischen Modelle zu verbessern.

Dorothee Moser

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