Erforschung von Größe und Form von Böden und Sedimenten des Mondes, der Erde und des Ozeans

Die Analyse von Böden und Sedimenten ist für den Menschen von grundlegender Bedeutung, denn sie liefert Fingerabdrücke ihrer Herkunft. Zu den wichtigsten Kategorien der Boden- und Sedimentanalyse gehören hydrologische und geologische Studien. Partikelgröße und -form sind bei der Analyse von Böden und Sedimenten eine Herausforderung. Warum ist das so? Bodenproben sind polymorph und weisen stets eine breite Größenverteilung auf. Der Bettersizer S3 Plus analysiert die Partikelgröße über einen weiten Bereich von 0,01 μm bis 3,5 mm und erfüllt damit die Anforderungen der Boden- und Sedimentgrößenmessung. Dieser Anwendungsbericht konzentriert sich auf drei verschiedene Anwendungen, die Mondregolith, Wüsten- und Meeressedimente abdecken, und untersucht die Unterschiede der Partikelgröße und -formen in drei Proben.

 

                        

Produkt	Bettersizer S3 Plus
Industrie	Umweltanalyse
Probe	Mondregolith, Meeressedimente, Wüsten- und Standardsand
Messung Typ	Partikelgröße Form der Partikel
Messtechnik	Laserbeugung Dynamische Bildanalyse

 

 

Zu einem Abschnitt springen:

 

 
• Einführung
 
• Messungen 
   
  • Marine Sedimente
   
  • Lunarer Regolith
   
  • Wüste und Standardsand
   
   
 
• Schlussfolgerung
 
• Referenz
 

 

 

---

 

 

Einführung

 

Böden aus verschiedenen Gebieten weisen unterschiedliche Merkmale auf, die auf ihre Herkunft schließen lassen. Nach der Norm der International Union of Soil Science (IUSS) kann die Bodenkategorie in Ton, Schluff, Feinsand, Grobkorn und Kies unterteilt werden. Ein anderes Standardsystem des Landwirtschaftsministeriums der Vereinigten Staaten (USDA) unterteilt den Sand in acht Klassen, wie in Abbildung 1 dargestellt ^[1].

 

Abbildung 1. Klassifizierung von Böden in verschiedenen Systemen

 

 

Zu den wichtigsten Kategorien der Boden- und Sedimentanalyse gehören hydrologische und geologische Studien. Bei hydrologischen Studien liefert die Analyse von Sedimenten wichtige Informationen für die Plattentektonik und die Nachhaltigkeit von Wassereinzugsgebieten. In geologischen Studien werden Bodenproben untersucht, um Verschmutzungen und Klimaveränderungen festzustellen.

 

 

Hydrologie

 

Die Flussmarkierung ändert sich aufgrund der unterschiedlichen Partikelgröße. Probenahmen am selben Ort in verschiedenen Jahren sind notwendig, um Schwankungen der Partikelgröße zu überwachen und das Hochwasserrisiko zu bewerten.

 

 

Die Analyse von Meeressedimenten ist eine Herausforderung, da die größten Partikel wahrscheinlich mehr als einen Zentimeter groß sind, während die kleinsten Partikel nur wenige Mikrometer groß sind. Die Siebung hat eine begrenzte Empfindlichkeit für feine Partikel, und die Laserbeugung hat das gleiche Problem bei groben Partikeln.

 

 

Eine Lösung für dieses Problem ist die Kombination der Sieb- und der Laserbeugungsmethode, bei der das Sieben die Millimeterpartikel entfernt und die Laserbeugung die Minus-Mesh-Partikel misst.

 

 

Geologie

 

Die Analyse von Böden ist von großer Bedeutung, da der Boden das Leben der Menschen beeinflussen kann. Der Zustand des Bodens ist eng mit der Landwirtschaft, dem Bauwesen und der Umwelt verbunden. Darüber hinaus stehen Böden und Sedimente in engem Zusammenhang mit der Ökologie. Um die Rolle des Bodens in der Ökologie zu untersuchen, analysieren Wissenschaftler alle physikalischen, chemischen und biologischen Aspekte des Bodens. Eine umfassende Analyse des Bodens würde Partikelgröße, Form, Dichte, organische Verbindungen, Fossilien, Elementaranalysen usw. umfassen.

 

 

Bei der Analyse der physikalischen Eigenschaften von Böden und Sedimenten sind Partikelgröße und -form die wichtigsten Parameter, die gemessen werden. Bodenproben sind polymorph und decken immer einen breiten Größenverteilungsbereich ab. Die Bettersizer S3-Serie analysiert die Partikelgröße über einen weiten Bereich von 0,01 μm bis 3,5 mm und deckt damit alle Klassen von Ton bis Kies vollständig ab. Darüber hinaus kombiniert die Bettersizer S3-Serie zwei Techniken in einem Gerät, indem sie sowohl Laserbeugung als auch dynamische Bildanalysen durchführt. Dadurch können die Partikelgröße und -form der Bodenprobe in einer Messung analysiert werden. Die Bettersizer S3-Serie wird in vielen Universitäten und Labors zur Messung von Böden und Sedimenten eingesetzt. In dem Papier werden drei verschiedene Anwendungen aufgeführt, die Mondregolith, Wüsten- und Meeressedimente abdecken.

 

 

Messungen

 

1. Lunarer Regolith ^[2]

 

Bei der ersten Probe handelt es sich um Mondregolith (LR), das mit der Mission Chang'E-5 (CE-5) vom Mond zurückgebracht wurde. Die Probe wurde vom Qian Xuesen Laboratory of Space Technology, China Academy of Space Technology (CAST), gewonnen. In der Geschichte wurde die erste Mondprobe 1976 entnommen, und im 20. Jahrhundert hatten nur die Sowjetunion und die Vereinigten Staaten Mondproben gesammelt. Im Jahr 2020 brachte CE-5 1.731 g Mondproben zurück zur Erde. Abbildung 2 zeigt die Probenahmestelle von CE-5. Das Qian-Xuesen-Labor war die erste Gruppe von Labors, die für die Analyse des Mondregoliths zugelassen war.

 

 

 

Abbildung 2. Bild von Chang'E-5 vor Ort vor und nach der Probenahme

 

 

Der Bettersizer S3 Plus wurde sowohl für die Analyse der Partikelform als auch für die Messung der Partikelgröße eingesetzt. Wie die Karte der Einzelpartikelbilder in Abbildung 3 zeigt, besteht der Boden sowohl aus sehr kleinen als auch aus groben Partikeln. Insgesamt weisen die 120.597 analysierten Partikel eine Partikelgrößenverteilung zwischen 15,0 und 438,2 µm auf. Die durchschnittliche Rundheit der Partikel beträgt 0,875, und nur 10 % der Partikel haben eine Rundheit von weniger als 0,805. In diesem Fall hat der Mondregolith an der CE-5-Probenahmestelle eine regelmäßige Form. Genauso wie die vielen verschiedenen Geländeformen auf der Erde in verschiedene Kategorien fallen, gilt dies auch für die verschiedenen Geländeformen auf dem Mond. Der Bettersizer S3 Plus hilft den Wissenschaftlern, einen tieferen Einblick in die Bodenproben zu gewinnen und Licht in die Geschichte und die Entwicklung des Mondes und der Erde selbst zu bringen.

 

 

 

Abbildung 3. Einzelpartikelbilder, Kreisform und Partikelgrößenverteilung

 

 

2. Meeresablagerungen

 

Die Meeressedimentproben stammen vom National Marine Environmental Monitoring Center und weisen drei verschiedene Größenverteilungen auf. Der Bettersizer S3 führte die Messungen im Bettersize-Labor durch. Wie in Abbildung 4 dargestellt, nehmen die Partikelgrößen der drei Proben von oben nach unten zu.

 

 

Abbildung 4. Proben von Meeressedimenten

 

 

 

Tabelle 1. Bettersizer S3-Größenergebnisse für drei Proben

                                

ProbeName	D10(μm)	D50(μm)	D90(μm)	D97(μm)
ProbeA	60	185	500	700
ProbeB	160	292	997	1412
MusterC	224	762	1531	1785

 

 

Die Partikelgrößenwerte sind in Tabelle 1 aufgeführt, woraus hervorgeht, dass alle drei Proben einen breiten Verteilungsbereich abdecken. Probe A weist die kleinste Partikelgrößenverteilung der drei Proben auf, wobei zwischen den Werten D10 und D90 eine Spanne von mehr als 400 μm liegt. Im Vergleich zu Probe C liegen die Werte für die Partikelgröße in Probe A und Probe B näher beieinander. Probe B enthält extrem grobe Partikel, die die volumenbasierte Partikelgrößenverteilung stark beeinflussen. Bei der Bildanalyse in Abbildung 5 werden Einzelpartikelbilder angezeigt, und es ist offensichtlich, dass die Partikelgröße von Probe A relativ einheitlich ist, während Probe B übergroße Partikel enthält.

 

 

Abbildung 5. Bildanalyse von Probe A (oben) und Probe B (unten)

 

 

Laut dem Diagramm der Probe B in Abbildung 6 sind mindestens zwei Peaks aufgetreten, die auf unterschiedliche Partikelgrößengruppen hinweisen. Die Bettersizer S3-Serie hat eine hohe Auflösung bei der Unterscheidung verschiedener Partikelgrößengruppen. Bei der Messung wurde der kombinierte Test verwendet, da die Bildmessung eine hohe Genauigkeit für den groben Bereich aufweist und die Laserbeugung sich im feinen und mittleren Bereich auszeichnet.

 

 

Abbildung 6. Partikelgrößenverteilungen der drei Proben

 

 

3. Wüstensand und Standardsand ^[3]

 

Die Bundesanstalt für Geowissenschaften in Hannover hat ein Experiment zum Vergleich von Wüstensand und Standardsand durchgeführt, um zu untersuchen, ob Wüstensand den in der Bauindustrie verwendeten Standardsand ersetzen kann. Dabei wurden alle drei Messmethoden verwendet: Laserbeugung, dynamische Bildanalyse und eine kombinierte Methode aus Laserbeugung und dynamischer Bildanalyse. Aus Abbildung 7 ist ersichtlich, dass die dynamische Bildanalyse und die kombinierte Analyse ein ähnliches Korngrößenverteilungsdiagramm für die Standardsandprobe ergeben.

 

 

Abbildung 7. Partikelgrößenverteilungen von Wüsten- und Standardsand

 

 

Die Standardsandprobe enthält viele grobe Partikel, was bei der Wüstensandprobe nicht der Fall ist. Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, hat der Wüstensand einen ähnlichen D10-Wert wie der Standardsand, nämlich etwa 220 μm. Die D90-Werte von Standardsand und Wüstensand liegen jedoch bei 1800 μm bzw. 740 μm.

 

 

Tabelle 2. Typische Prozentwerte für die Partikelgrößenverteilung

                                                        

Probe	D3	D6	D10	D16	D25	D50	D75	D84	D90	D99
Wüstensand-Dynamik Bildanalyse	145.9	185.5	223.1	263.1	316.8	433.6	575.9	656.9	740.8	1544
Standard-SanddynamikBildanalyse	150.9	177.7	216.8	298.6	461.4	958.9	1476	1678	1828	2422
Standardsand - eine Kombination aus Lichtbeugung und Bildanalyse	150.3	177.8	217.4	295	457.5	943.9	1434	1631	1781	2341

 

 

Tabelle 3. Typische Formparameter einzelner Partikel

 

 

 

Abgesehen von den Größenunterschieden, die bei der Laserdifferenzierung festgestellt wurden, gibt es erhebliche Unterschiede in der Form. Nach der dynamischen Bildanalyse in Tabelle 3 ist der äquivalente Durchmesser von Wüstensand kleiner als der von Standardsand. Der große Unterschied zwischen ihnen ist der L/D-Wert. Abbildung 8 zeigt, dass der Standardsand einen durchschnittlichen L/D-Wert nahe bei 1 hat, während der L/D-Wert des Wüstensands bei höheren Werten schwankt.

 

 

Abbildung 8. L/D-Wert-Verteilung von Wüstensand und Standardsand

 

 

Wüstensand kann nicht als Baumaterial verwendet werden, da er keine mittleren und großen Partikel enthält. Wenn dem Wüstensand jedoch mittelgroße und grobe Sande im richtigen Verhältnis beigemischt werden können, könnte Wüstensand als Ersatz für Baumaterial verwendet werden.

 

 

Schlussfolgerung

 

Die größte Herausforderung bei Boden- und Sedimentmessungen ist die genaue Messung der weit verteilten Proben. Die Bettersizer S3-Serie verfügt über ein dynamisches Bildanalysesystem und ein Laserbeugungssystem, die sich ideal für die Messung von Proben mit großer Größenverteilung wie Böden eignen. Die Bettersizer S3-Serie liefert zuverlässige Ergebnisse zu Partikelgröße und -form, die den Anforderungen der Kunden entsprechen.

 

 

Referenzen

 

[1] Madhan Mohan.M und Prabhu Prasadini. 2019. Handbuch zur praktischen Bodenphysik. Regional Agricultural Research Station, S. 72.

 

[2] H. Zhang, X. Zhang, G. Zhang, K. Dong, X. Deng, X. Gao, Y. Yang, Y. Xiao, X. Bai, K. Liang, Y. Liu, W. Ma, S. Zhao, C. Zhang, X. Zhang, J. Song, W. Yao, H. Chen, W. Wang, Z. Zou, and M. Yang (2022), Size, shape, and composition of lunar samples returned by Chang'E-5 mission, Sci. China- Phys. Mech. Astron. 65, 000000.

 

[3] Eignung von Wüsten- oder Recyclingsanden als Rohstoff für die Betonherstellung. 3P Instrument. https://www.bgr.bund.de/DE/Gemeinsames/Nachrichten/Aktuelles/2019/2019-08-06_wuestensand.html

 

 

 

Über den Autor

        

Xiurong Qiu Anwendungsingenieur @ Bettersize Instruments