3D-Porositätsstruktur des frühesten Materials des Sonnensystems

Porosität ist eine wichtige Materialeigenschaft, die eine Vielzahl physikalischer Prozesse auf Asteroiden stark beeinflusst. Es beeinflusst die Kratermechanik erheblich; Es trägt nicht nur zur Dämpfung von Stoßwellen bei, sondern bestimmt auch die Menge und Verteilung der erzeugten Abwärme1,2,3. Die Porosität beeinflusst die Permeabilität und die Bewegung von Gasen und Flüssigkeiten durch ein Objekt und steuert das Ausmaß und die Art (z. B. offenes vs. geschlossenes System) der wässrigen Veränderung, z. 4. Sie beeinflusst auch die Wärmeleitfähigkeit eines Materials und damit seine thermische Trägheit5, was Auswirkungen auf die Bewegung von Wärme und Energie innerhalb eines Asteroiden hat. Es hat sich auch gezeigt, dass die Porosität einen signifikanten Einfluss auf das Ergebnis kinetischer Einschläge hat, wie sie zur Ablenkung von erdnahen Asteroiden (NEAs) verwendet werden könnten.6. Daher hat die Bestimmung der Porosität sowie ihrer Verteilung und Struktur erhebliche Auswirkungen auf die physikalische, hydrologische und dynamische Entwicklung eines Asteroiden.

Kürzlich haben zwei Stichproben-Rückkehrmissionen zu den kohlenstoffhaltigen Asteroiden (162.173) Ryugu und (101.955) Bennu von JAXA’s Hayabusa2 und NASA’s Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, and Security-Regolith Explorer (OSIRIS-REx) Missionen ergeben, dass die Asteroiden sind deutlich mikroporöser als erwartet7.8und die vorläufige Analyse von Proben aus Ryugu bestätigen, dass sie stärker mikroporös sind (46 %) als ihre analogen CI-Meteoriten9. Mikroporosität ist in diesem Zusammenhang als Porosität in der Größenordnung des analogen Meteoriten definiert und setzt sich somit aus Inter- und Intrakorn-Porosität und kleinen Brüchen (Hunderte Mikrometer Breite oder weniger) zusammen. Der Ursprung dieser unerwartet hohen Porosität ist nicht bekannt. Es könnte Porosität darstellen, die durch einen sekundären Prozess wie Meteoritenbeschuss oder Rissbildung aufgrund von täglicher thermischer Belastung entsteht8. Es wird jedoch die Hypothese aufgestellt, dass es wahrscheinlicher die ursprüngliche, primäre Porosität des kohligen Chondritenmaterials ist, das sich auf dem Asteroiden angesammelt hat7.8.

Die Porosität von kohlenstoffhaltigen Chondriten (CCs) wurde zuvor im Labor gemessen, wobei sowohl Bulk- (He-Pyknometrie) als auch direkte Bildgebungsmethoden (Scanning- oder Transmissionselektronenbildgebung (SEM/TEM); Röntgen-Computertomographie (XCT)) verwendet wurden, z. 10,11,12,13. Diese Studien haben gezeigt, dass die CC-Typen, die den kohlenstoffhaltigen Asteroiden Bennu und Ryugu am nächsten kommen, die CMs, CIs und ungruppierten C2s, eine hohe Porosität (~ 23–40 %) aufweisen, die hauptsächlich aus Poren in Submikron- bis Mikrometergröße besteht10,11,12,14,15,16.17. Während Massenporositätsmessungen wahrscheinlich genau sind, fehlen ihnen Details über die Art (intragranular, intergranular, Bruch usw.), die Morphologie oder den Ort der Porosität. Die direkte Abbildung der Poren liefert dieses Detail, aber 2D-Bildgebungsverfahren wie SEM oder TEM erfordern eine destruktive Präparation (Schnitt) der Probe. Es untersucht auch nur einen begrenzten Bereich (für TEM in der Größenordnung von ~ 100 µm2), die möglicherweise nicht repräsentativ für die Probe ist und keinen 3D-Kontext liefert, was, wie wir zeigen werden, bei der Interpretation des Ursprungs und der Entwicklung der Porosität entscheidend sein kann. Darüber hinaus ist die Kenntnis der 3D-Porositätsverteilung innerhalb einer Probe wichtig für Untersuchungen von kohligen Chondriten, die eine Gefrier-Tau-Disaggregation verwenden, um interessierende Komponenten wie Chondren, feuerfeste Einschlüsse, präsolare Körner oder Klasten zu konzentrieren, z. 18.

XCT ist in der Lage, die Porosität innerhalb größerer, repräsentativerer Proben zu untersuchen, während der räumliche 3D-Kontext erhalten bleibt. XCT ist ein zerstörungsfreies Bildgebungsverfahren, das eine Reihe von zweidimensionalen (2D) Bildern (Scheiben) erzeugt, wobei die Graustufen in jedem Bild die Röntgenstrahlschwächung darstellen, die in erster Ordnung von der Dichte und der Ordnungszahl (Z) abhängt das Material19. Einige Studien haben XCT verwendet, um die Porosität innerhalb von Chondriten zu untersuchen, waren jedoch durch den Beobachtungsmaßstab begrenzt, da nur versucht wurde, diskrete Poren zu identifizieren13,20,21. Typischerweise kann ein diskretes 3D-Merkmal (z. B. eine Pore) nur dann genau gemessen werden, wenn es einen Durchmesser von mindestens einigen (~3) Voxeln hat19.22. Bei kleinen Aufnahmen (6–12 mm3) Chondrit-Chips, Friedrich und Flüsse 20 fanden heraus, dass sie aufgrund der großen Anzahl von Poren unterhalb der Scanauflösung (2,6 µm/Voxel) nicht die gesamte Porosität in hochporösen Proben (> 15 %) messen konnten. Umgekehrt haben Dionnet et al. 13 verwendete eine sehr hohe Bildauflösung (0,13 µm/Voxel) für CM Paris, fand aber auch eine viel geringere Porosität als erwartet (4,6 %) im Vergleich zu früheren Schätzungen (30 %15), höchstwahrscheinlich aufgrund der Repräsentativität ihrer winzigen Probe (40 µm Durchmesser).

Die XCT-Bildgebung mit einem schweren Edelgas wie Kr oder Xe, das Röntgenstrahlen stark abschwächt, hat jedoch die Untersuchung extrem feiner Porosität in terrestrischen Proben ermöglicht23,24.25. Indem man eine poröse Probe zweimal mit XCT abbildet, einmal in Luft oder unter Vakuum und einmal von dem Gas infiltriert, und dann ersteres von letzterem subtrahiert, erhält man eine 3D-Karte, wo das Gas eingedrungen ist, und somit die damit verbundene Porosität. In solchen Karten entspricht jeder Voxelwert einer partiellen Porosität oder dem Anteil des Voxels, der Porenraum enthält, wodurch die Position aller miteinander verbundenen Porositäten in allen Maßstäben offenbart wird. Die Edelgastechnik hat zwei weitere Vorteile gegenüber der direkten XCT-Porenbildgebung. Erstens kann es zwischen Material mit geringer Dämpfung, wie z. B. organischen Stoffen, und einem nanoporösen Bereich mit einer Porosität unterhalb der räumlichen Auflösung unterscheiden, die ansonsten nicht von einem Material mit geringer Dämpfung zu unterscheiden ist. Zweitens liefert es Informationen über die Konnektivität der Poren, da isolierte Poren ihre Röntgenstrahlabschwächung mit der Einführung des Gases nicht ändern. In dieser Arbeit wenden wir diese XCT-Edelgas-Bildgebungsmethode zum ersten Mal auf eine außerirdische Probe, CM Murchison (ein analoger Meteorit für kohlenstoffhaltige Asteroiden), an, um die Technik für die Anwendung auf aktuelle und zukünftige Probenrückführungsmissionen zu diesen hochgradig zu demonstrieren und zu verfeinern mikroporöse und komplexe Targets.

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