Density and molar volume of CaO–SiO2–FeO melts measured by electrostatic levitation aboard the International Space Station
Met behulp van de Electrostatic Levitation Furnace aan boord van het International Space Station hebben onderzoekers de dichtheden en molaire volumes van CaO–SiO2–FeO-smelt in microzwaartekracht gemeten, waarbij werd vastgesteld dat de dichtheid toeneemt met het FeO-gehalte terwijl het molaire volume over het algemeen overeenkomt met de voorspellingen van het additieve model, ondanks lichte afwijkingen bij hogere FeO-concentraties.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Stel je een gigantische, zwevende zeepbel voor, maar in plaats van zeep en water is het een gloeiende, gesmolten bal van gesteente en metaal. Stel je nu voor dat die bel midden in het International Space Station zweeft, waar de zwaartekracht eigenlijk een spook is. Dat is precies wat er gebeurde in deze studie. Wetenschappers uit Japan namen drie verschillende recepten van gesmolten gesteente mee naar de ruimte—mengsels van calciumoxide, siliciumdioxide en ijzeroxide—om te zien hoe zwaar ze waren wanneer ze heet en stroperig waren.
Waarom naar de ruimte? Nou, op aarde moet je, als je de dichtheid van een superhete vloeistof wilt meten, de vloeistof meestal in een container plaatsen. Maar heet metaal houdt ervan om zijn container op te eten, of de container lekt in het metaal, wat de meting verpest. Het is alsof je probeert een plak pizza te wegen terwijl deze nog aan de doos vastzit; de doos voegt gewicht toe en verandert de smaak. In de ruimte konden de wetenschappers, met behulp van een speciale "elektrostatische levitatie"-truc, de druppels gesmolten materiaal in de lucht houden met onzichtbare elektrische handen. Geen doos, geen container, gewoon pure, zwevende vloeibare rots.
Het team testte drie specifieke "smaken" van deze smelt, aangeduid als CS20F, CS60F en CS80F. De getallen verwijzen naar hoeveel ijzeroxide (FeO) er in het mengsel zat: 20%, 60% en 80% bij gewicht. De rest was een 50/50 verdeling van de andere twee ingrediënten. Ze verwarmden deze druppels met lasers totdat ze gloeiend heet waren, en lieten ze vervolgens afkoelen terwijl ze 60 foto's per seconde maakten met een hogesnelheidscamera. Door te kijken naar hoe de schaduw van de zwevende bal kromp tijdens het afkoelen, konden ze het volume berekenen, en aangezien ze het gewicht van het monster wisten, konden ze de dichtheid bepalen.
Dit is wat ze ontdekten:
Ten eerste: naarmate de temperatuur omhoog ging, nam de dichtheid af. Het is als een ballon die uitzet als je hete lucht erin blaast; dezelfde hoeveelheid spul neemt meer ruimte in beslag, dus wordt het minder dicht. Dit gebeurde in een rechte lijn voor alle drie de mengsels.
Ten tweede: bij een specifieke temperatuur was het mengsel met meer ijzeroxide dichter. Het 80% ijzer-mengsel was het zwaarst, en het 20% ijzer-mengsel was het lichtst.
Ten derde: ze keken naar iets dat "molaire volume" wordt genoemd, wat in feite is hoeveel ruimte één "mol" van het mengsel inneemt. Ze ontdekten dat wanneer ze meer ijzer toevoegden (van het 20% mengsel naar het 60% mengsel), de ruimte die het mengsel innam, daadwerkelijk kleiner werd. Maar toen ze nóg meer ijzer toevoegden (van 6 over naar 80%), veranderde de ruimte nauwelijks meer. Het was als het indrukken van een spons: de eerste druk maakt hem compact, maar de tweede druk doet bijna niets meer.
De wetenschappers vergeleken hun in de ruimte gemeten gegevens met oude gegevens van de aarde en een eenvoudig wiskundig model genaamd een "additieve referentie". Dit model gaat ervan uit dat als je twee dingen mengt, het totale volume gewoon de som van de delen is, zoals het stapelen van Lego-blokjes. De resultaten lieten zien dat de echte gesmolten rots grotendeels consistent was met dit eenvoudige Lego-blokjesidee, hoewel de echte smelt bij de hoogste ijzergehaltes net iets meer ruimte innam dan het Lego-model voorspelde.
Hoe zeker zijn ze? Het artikel stelt dat de metingen een maximale relatieve uitgebreide onzekerheid hadden van 3,46%. Dit betekent dat als je het getal dat ze kregen neemt, de werkelijke waarde waarschijnlijk binnen ongeveer 3,5% van dat getal ligt. De grootste bron van deze kleine onzekerheid was niet de zwevende bal zelf, maar de meting van de referentiesfeer die werd gebruikt om de camera te kalibreren. Omdat de volumeberekening afhangt van de diameter van die referentiesfeer tot de macht drie (vermenigvuldigd met zichzelf drie keer), wordt zelfs een kleine trilling in de meting van de grootte van de referentiesfeer uitvergroot.
Wat hebben ze dus uitgesloten? Ze hebben het idee niet uitgesloten dat containers metingen verstoren; ze hebben juist bevestigd dat containerloze methoden noodzakelijk zijn voor deze hoge temperaturen. Ze vonden ook niet dat het volume wild verandert met het ijzergehalte; in plaats daarvan vonden ze dat het eerst scherp daalt en daarna afvlakt. Ze beweerden niet dat dit een perfect opgelost probleem is voor de gehele metallurgie, maar dat ze eerder een solide set referentiedata hebben geleverd voor temperaturen waar instrumenten op aarde moeite mee hebben.
Kortom, door gesmolten gesteente in de ruimte te laten zweven, gaven de onderzoekers ons een duidelijker beeld van hoe deze specifieke metaal-slak-mengsels zich gedragen wanneer ze heet en zwaar zijn, waarbij ze bevestigden dat meer ijzer over het algemeen een dichtere vloeistof betekent, maar dat de manier waarop het volume krimpt met ijzergehalte geen rechte lijn is—het is een curve die afvlakt. Deze data staan nu klaar om ingenieurs en wetenschappers te helpen bij het modelleren van hoe metalen stromen en scheiden in processen met hoge temperaturen, gebruikmakend van cijfers die zijn gemeten zonder de verstoring van een smeltkroes.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.