Labor für experimentelle Vulkanologie
Entschlüsselung vulkanischer Auslöser und Plumdynamik durch schnelle Dekompression, großflächige Ascheablagerung und Wechselwirkung zwischen Lava und Substrat
Die Einrichtung für experimentelle Vulkanologie umfasst eine Reihe von maßgeschneiderten Geräten zur Simulation vulkanischer Prozesse (einschließlich explosiver Fragmentierung, Vulkanblitzen, Lavaströmen, Ablagerung und Aggregation von Vulkanasche sowie vulkanischer Sinterung), die mittels Hochgeschwindigkeits-Optik- und Thermografiekameras, Drucksensoren, Akustikemissionssensoren und weiteren Geräten überwacht werden. Die Einrichtung erstreckt sich auch auf die Geothermieforschung und umfasst darüber hinaus eine Reihe von Materialprüfungs-, petrophysikalischen und petrologischen Instrumenten zur Charakterisierung von Materialeigenschaften.
Fragmentierungslabor
- Zimmer
- C U 127B C 106
- Ansprechpartner
- Bettina Scheu, Ulrich Küppers
- Zugangsbestimmungen
- nur geschulte Benutzer
© Bettina Scheu
Das Fragmentierungslabor verfügt über fünf maßgeschneiderte Stoßrohrgeräte (Fragmentierungsgeräte) zur Untersuchung von Prozessen im Zusammenhang mit explosivem Vulkanismus. Mit diesen Geräten können wir die Reaktion von Magma oder porösen Gesteinen auf 1) schnelle Gasdekompression und/oder 2) Gasüberdruck untersuchen und dabei die Fragmentierung, den Auswurf von Fragmenten und die Wechselwirkung mit der Atmosphäre überwachen.
Das Gerät ermöglicht die Untersuchung von:
- Vulkanausbrüche aufgrund schneller Dekompression (Fragmentierungsdynamik und -effizienz)
- phreatische und hydrothermale (dampfgetriebene) Eruptionen
- Dekompression von wasserhaltigen Schmelzen oder Magma-Analoga
- Der Einfluss der Kratergeometrie auf die Ausbreitung von Gas- und Aschewolken
- Entstehung von Blitzen aufgrund elektrischer Entladungen bei Fragmentierung und Eruption
© Bettina Scheu
- Der Einfluss der Chemie und des Drucks der Atmosphäre auf Fragmentierung und Blitze
Dies ist mithilfe eines Fragmentierungsgeräts möglich, das einen gasdichten Sammeltank enthält, der für moderaten Unter-/Überdruck ausgelegt ist und an ein Gasmischsystem angeschlossen ist, um die Fragmentierung und die Verteilung von Gas und Asche unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen nachzuahmen, wie sie in der frühen Erdgeschichte oder unter planetarischen Bedingungen auftraten. Die entstandene Asche und die Fragmente sowie das atmosphärische Gas können zur weiteren Analyse entnommen werden. Der Partikelsammelbehälter ist als Faradayscher Käfig konzipiert, um die elektrischen Ladungen während der Fragmentierung und Ausstoßung des Partikel-Gas-Gemisches zu messen.
- Der Autoklav wird mit Ar und N₂ unter verschiedenen Drücken (0,1–20 MPa) und Temperaturen (20 °C–900 °C) unter Druck gesetzt.
- Der Sammeltank wird auf Umgebungstemperatur (20 °C) gehalten und kann bei verschiedenen Drücken (25–400 kPa) betrieben werden, wobei er für verschiedene Gase (Ar, N2, CO2, CO) geeignet ist.
- Fragmentierungsverhalten: Fragmentierungsschwelle, Geschwindigkeit, Energieverteilung, Bruchausbreitungsdynamik und Korngrößenverteilung
- Auswurfverhalten: Auswurfgeschwindigkeit, Auswurfwinkel, Entwicklung der Auswurffahne
- Dynamik der dampfgetriebenen Fragmentierung: Dampfexpansion, Dampfverdampfung, Auswurfgeschwindigkeit, Korngrößenverteilung, Energieverteilung
- Einfluss von Alteration auf magmatische und dampfgetriebene Fragmentierung
- Permeabilität (mittels Puls-Decay-Methode)
- Vasikulation, Schaumbildung und Schaumkollaps bzw. Fragmentierung natürlicher und synthetischer Magmen unter verschiedenen Dekompressionsbedingungen
- Ein mit Gas (Argon, Stickstoff oder Wasserdampf) beaufschlagter Autoklav ist durch ein bis drei Berstscheiben (Membranen) von einem großen Niederdruckbehälter (3 m hoch, 0,4 m breit) getrennt, um die Druckdifferenz zu steuern.
- Die Autoklaven können in einem geteilten Rohrofen untergebracht werden, um die Materialien vor der Fragmentierung zu erhitzen und/oder zu schmelzen. Tests können mit transparenten Plexiglas-Autoklaven durchgeführt werden, um den Fragmentierungsprozess mittels Hochgeschwindigkeitskameras zu beobachten.
- Der untere Teil des Niederdruckbehälters kann durch ein Plexiglasrohr ersetzt werden, um die Abbildung von Gas- und Ascheauswürfen mittels Hochgeschwindigkeitskameras zu ermöglichen.
- Der Niederdruckbehälter kann gasdicht verschlossen werden, um einen moderaten Unterdruck zu simulieren und die chemische Zusammensetzung der Gasatmosphäre zu steuern, um exotische planetare oder frühe Erdbedingungen nachzubilden.
- Die Probenahme des atmosphärischen Gases erfolgt über eine separate Abluftleitung mittels Bördelverschlussflaschen. Darüber hinaus ist der Partikelsammelbehälter als Faraday-Käfig ausgelegt, der die Bestimmung der Nettoladung des Partikel-Gas-Gemisches sowie der Anzahl und Intensität der Entladungen ermöglicht.
- Temperatur und Temperaturbereich:
- Gasbetriebene Experimente: 20 °C – 900 °C & 0,1 – 50 MPa
- Dampfbetriebene Experimente: 100 °C – 400 °C & 0,1 – 25 MPa
- Natürliche zylindrische Gesteinsproben; Standardprobengröße: 25 × 60 mm, andere Probengrößen möglich (in mm): 19 × 50, 25 × 60, 60 × 60, 34 × 70 (Durchmesser/Höhe);
- Natürliche lose Proben (Asche, Lapilli): Stapel bis zu 240 mm möglich
- Magmaanaloga: Silikonöle (10² – 10⁶ Pa·s), mit/ohne Partikel
- 1–4 statische und quasistatische Drucksensoren (Kistler und Piezocryst): Druckverlauf während der Erwärmung, schnelle Druckentlastung der Probe, Druck am Entlüftungsventil
- 1–2 Thermoelemente vom Typ K: Temperatur der Probe, Temperatur an den Membranhaltern
- Bildgebungssystem: 2 Phantom V711 Hochgeschwindigkeitskameras (bis zu 80.000 Bilder/s) mit LED- und/oder HQI-Beleuchtung
Ascheabsetz- und Aggregationsvorrichtung (AshTAG)
- Zimmer
- C U127b
- Ansprechpartner
- Corrado Cimarelli, Antonio Capponi
- Zugangsbestimmungen
- obligatorische Sicherheitseinweisung
- Gerät
- Ascheabsetz- und Aggregationsvorrichtung (AshTAG, Sonderanfertigung)
© Antonio Capponi
AshTAG ist eine maßgeschneiderte, groß angelegte Partikelsedimentations- und Aggregationskammer, die zur Untersuchung der Dynamik von Vulkanasche unter kontrollierten Laborbedingungen entwickelt wurde. Sie besteht aus einem präzisionsgesteuerten Ascheverteilungssystem (0,6 × 0,6 × 0,6 m), das über einer 1,5 × 1,5 × 3 m großen Fallkammer angebracht ist. Der speziell angefertigte Auslösemechanismus ermöglicht die Bildung von anhaltenden (bis zu mehreren Minuten), wiederholbaren Säulen aus fallenden Aschepartikeln. AshTAG wurde speziell entwickelt, um wichtige Prozesse der Aschewolkenentwicklung zu simulieren und zu messen, darunter die Sedimentationsdynamik, Aggregation, Disaggregation und bevorzugte Konzentration von Partikeln. Sein modulares und flexibles Design ermöglicht die unabhängige Steuerung einer Vielzahl von Versuchsparametern, wie Partikelgröße, Konzentration, Feuchtigkeit, Turbulenz und Oberflächeneigenschaften der Asche (z. B. Flüssigkeitsvolumen und Chemie). Dies macht AshTAG zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Nachbildung und Quantifizierung komplexer Wechselwirkungen zwischen Asche und Atmosphäre in einer reproduzierbaren und vereinfachten Umgebung.
- Partikelkinematik: Geschwindigkeiten, Freisetzungsraten und Sedimentationsraten
- Partikelwechselwirkungen: Aggregation, Disaggregation und Kollisionsdynamik
- Partikelgrößenverteilungen (PSD): Räumliche und zeitliche Auflösung der Aschegrößenvariationen
- Clustering-Metriken: Bevorzugte Konzentrationsmuster und Volumenanteilsschätzungen
- Kammerabmessungen (inkl. Freisetzungssystem): 1,5 × 1,5 × 3,6 m
- Variable Aschebeladung: von wenigen zehn Gramm bis zu mehreren Kilogramm pro Experiment
- Durchflussregelung: Konfigurierbare Freisetzungsraten (konstant oder zeitvariabel), präzise gesteuert über Linearantriebe (0,025 mm/Schritt)
- Partikeleigenschaften: Einstellbare Partikelgrößenverteilung, Oberflächenflüssigkeitsgehalt und chemische Zusammensetzung der Asche
- PIV-System: Phantom V711 Hochgeschwindigkeitskameras (bis zu 20.000 Bilder/s für PIV) mit Oxford Laser Firefly 300W Pulslaser
- Umweltüberwachung: Sensirion SEN55 Umweltsensor zur kontinuierlichen Überwachung von relativer Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Feinstaub (PM0.1, PM2.5, PM4, PM10) mittels Laserstreuungssensoren
- Makroaufnahmen zur Aggregations-/Disaggregationsüberwachung: Modifizierte Backbone GoPro Hero 12 mit Wechselobjektiven (250 Bilder/s)
- Echtzeitüberwachung der Aschefreisetzungsrate mittels schnell reagierender Wägezellen
- Ablagerungsüberwachung: Wiegeschale am Kammerboden (Modell noch festzulegen)
Wechselwirkung zwischen Lavastrom und Untergrund
- Zimmer
- Ansprechpartner
- Yan Lavallée
- Beschreibung
- Diese Anlage ist so konzipiert, dass Lava auf verschiedene Substrate (Gestein, vulkanische Ablagerungen, Schlamm, Eis) an der Luft oder unter Wasser fließen kann. Sie ermöglicht das Schmelzen von 3 l Gestein bei bis zu 1250 °C.
© Honor James
Diese Anlage ist so konzipiert, dass Lava auf verschiedene Untergründe (Gestein, vulkanische Ablagerungen, Schlamm, Eis) an der Luft oder unter Wasser fließen kann. Sie ermöglicht das Schmelzen von 3 l Gestein bei bis zu 1250 °C.
Labor für vulkanische Sinterung
- Zimmer
- C 317
- Kontakt
- Yan Lavallée
- Zugriffsrechte
- bei Ernennung
Sinterofen @Yan Lavallée
Das Sinterlabor besteht aus mehreren Öfen und optischen Dilatometern, mit denen die Entwicklung von fragmentarischen Materialien während des viskosen Sinterns quantifiziert werden kann, wie es bei Vulkanen oder als technisches Verfahren zur Herstellung von Materialien beobachtet wird. Wir verwenden diese Geräte, um den Verdichtungsprozess und die Entwicklung der Materialeigenschaften (Porosität, Durchlässigkeit, Festigkeit) zu untersuchen. Dieses Wissen wird derzeit genutzt, um Ziegelsteine mit maßgeschneiderten Eigenschaften aus Mondregolith zu entwickeln, da wir Materialien für Mondhabitate entwickeln möchten.