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Projekt I

Untersuchung der transienten physikalischen Vorgänge in frühen Phasen des Impaktprozesses auf feste Gesteine im Hypervelocity Geschwindigkeitsbereich.

Fortsetzung von TP-1

Projektleitung:

Klaus Thoma, Frank Schäfer
Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach Institut (EMI), Freiburg

Im Projekt beschäftigt:

Tobias Hoerth (Doktorand, EMI)
Christoph Michalski (Doktorand, EMI)

Zusammenfassung

In der zweiten Antragsphase konzentriert sich Projekt 1 der Multidisziplinären Forschergruppe MEMIN auf die Untersuchung der transienten physikalischen Vorgänge in frühen Phasen des Impaktprozesses bei porösen Gesteinen im Hypervelocity Geschwindigkeitsbereich bei senkrechtem und schrägem Impakt. Unter „früher Phase“ werden hier die ersten Mikrosekunden nach dem Kontakt zwischen Projektil und Target in Laborversuchen verstanden. Die für Impakttests vorgesehenen Targetmaterialien sind Sandstein (SiO2) und Kalkstein (CaCO3). Die Forschungsthemen umfassen:

• Untersuchung des physikalischen Zustands des unter extrem flachen Winkeln zur Targetoberfläche ausgeworfenen Materials („Jetting Phänomen“)
• Untersuchung der thermodynamischen Eigenschaften des Impakt Plasmas
• Untersuchung der Teilchengrößen- und Geschwindigkeitsverteilung in frühen Phasen der Ejekta-Wolke

Zur Durchführung dieser geowissenschaftlichen Grundlagenforschung wird die am EMI verfügbare Spitzentechnologie im Bereich der Leichtgaskanonen-Beschleuniger noch weiter verbessert, etwa durch Anwendung neuartiger Methoden beim Design von Sabottechnik und bei der Messung der Projektilgeschwindigkeit im Lauf, oder durch verbesserte Methoden bei High-Speed Visualisierung.
Zur Untersuchung der physikalischen Vorgänge während der frühen Eindringphase des Projektils werden neue Methoden entwickelt und angewendet:

• Zeitaufgelöste optische Spektroskopie zum Aufzeichnen der Lichtemissionen aus dem Impaktplasma. Es wird erwartet, dass diese Spektren zu einem besseren Verständnis der physikalischen Prozesse in der Nähe der Kontaktstelle Projektil-Target führen.
• Particle-Imaging Visualisierungs (PIV) – Techniken mittels Laser-Sheet Technologie zur Untersuchung der Teilchengrößen- und Geschwindigkeitsverteilungen in der Ejekta-Wolke.

Die geplanten Untersuchungen in der zweiten Antragsphase der MEMIN Forschergruppe sind komplementär zu den Arbeiten aus der ersten Phase, in der das Hauptinteresse auf der Verbesserung des Verständnisses der transienten Impaktprozesse in trockenem und feuchtem Sandstein bei senkrechtem Impakt lag (z.B. skalenabhängige Kraterbildung und Auswurfprozesse, Hoerth et al. 2012).
Eine zentrale Aufgabe von Projekt 1 ist die Durchführung einer Reihe von mit den messtechnischen Anforderungen der anderen Teilprojekte der Forschergruppe abgestimmten, präzise definierten und hochinstrumentierten Hypervelocity-Impaktexperimenten. Mit diesen Experimenten wird die von den MEMIN Teilprojekten benötigte experimentelle Datenbasis geschaffen. Die Experimente werden an den beiden EMI-Anlagen „Space Gun“ (SLGG) und „X-Large Light Gas Gun“ (XLLGG) durchgeführt. Da thermodynamische Prozesse untersucht werden, bei denen Verdampfung und Ionisation von Materie eine zentrale Rolle spielen, wird die Mehrzahl der Experimente an der SLGG Anlage durchgeführt, in deren Targetkammer kürzlich ein Hochvakuum von bis zu 10-5 mbar erreicht wurde (einzigartig für Leichtgasbeschleuniger-Impaktanlagen). Bei derart niedrigen Umgebungsdrücken kann eine Beeinflussung der Plasmawolke sowie deren optischer Emissionen durch die Restatmosphäre nahezu ausgeschlossen werden. Die spezielle Kombination von extrem hohen Impaktgeschwindigkeiten, hochauflösender Kurzzeitspektroskopie, Laser-Sheet Technik und die Möglichkeit, Impaktexperimente in einer Hochvakuum-Atmosphäre durchzuführen, schaffen in diesem Projekt neue Möglichkeiten für geowissenschaftliche Grundlagenforschung.