Vor Gebrauch gut schütteln

News: Vor Gebrauch gut schütteln

Wie entsteht ein Planet? Im schwerelosen Raum können sich Teilchen zu Klumpen zusammenlagern - auf der Erde verhindert das die Gravitation. Französische Forscher haben daher mit einer Rakete kleine Behälter mit Bronzekügelchen ins All geschickt, sie dort kräftig schütteln lassen und beobachtet, was passiert. In einigen Kisten entstanden tatsächlich stabile 'Miniaturplaneten'.

Wenn körniges Material wie Sand oder Staub geschüttelt wird, verhält es sich wie ein Gas – die Partikel stoßen aneinander wie Moleküle in der Luft. Wissenschaftler haben beobachtet, daß sich dabei gelegentlich mehrere Teilchen in Haufen anordnen. Weitere Untersuchungen im Labor waren bisher jedoch schwierig, da die die Gravitationskraft störte.

Um den Einfluß der Schwerkraft auszuschalten, verlagerten französische Wissenschaftler ihre Versuche ins All. Mit einer Rakete schossen sie drei Würfel mit je einem Kubikzentimeter Inhalt für kurze Zeit in 150 Kilometer Höhe. In die kleinen Versuchsbehälter füllten sie verschiedene Mengen an Bronzekügelchen mit einem Durchmesser von 0,3 Millimetern. Während des Fluges schüttelte ein Elektromotor die Würfel, und eine Kamera hielt die Vorgänge im Innern fest. In den nur zweihundert Sekunden mit verringerter Schwerkraft führten die Forscher neun kurze Experimente durch, bei denen sie die Frequenz und die Amplitude der Schüttelbewegungen variierten. Ihre Ergebnisse berichteten sie am 12. Juli 1999 in den Physical Review Letters (Abstract).

In den beiden gut gefüllten Würfeln zeigten sich stabile und unbewegliche Teilchenklumpen, im Gegensatz zum dritten Würfel, der nur eine geringe Dichte an Kügelchen hatte. Nach Stéphan Fauve von der Ecole Normale Supérieure in Paris bilden sich diese Klumpen, wenn die Partikel durch das Schütteln kollidieren. Bei einem Zusammenstoß werden die Teilchen langsamer und ein Teil ihrer Energie wird in Wärme umgewandelt. Wenn die Teilchendichte groß genug ist, entstehen spontan Dichteunterschiede. In den Regionen mit höherer Partikeldichte kommt es häufiger zu Kollisionen, die Teilchen werden wiederum abgebremst, und die Dichte erhöht sich weiter – alles in allem eine positive Rückkopplung, die nach einer gewissen Zeit zu stabilen Partikelwolken führt.

Nach Ansicht von Larry Esposito von der University of Colorado in Boulder geschieht etwas ganz ähnliches, wenn Staub um einen jungen Stern kreist. Die Ergebnisse der französischen Wissenschaftler könnten daher vielleicht erklären, wie aus solchen "protoplanetarischen Ringen" ein Planet entsteht. Esposito und seine Mitarbeiter haben solche "Klumpenbildungen" auch bereits in Ringen um Sterne des Orion-Nebels beobachtet. "Vielleicht können wir die Ergebnisse von [Fauves] Experimenten nutzen, um Modelle zur Dynamik von Ringen und der Entstehung von Planetensystemen zu entwerfen", sagt Esposito.

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