Почему в космосе металлы слипаются?

Почему в космосе металлы слипаются? Если прижать друг к другу две металлические пластины на Земле, ничего не произойдёт. В космосе они могут срастись в единое целое. Вот почему. Если прижать друг к другу две металлические пластины на Земле, ничего не произойдёт. Но если те же пластины вынести в вакуум космоса, они могут срастись в один кусок металла. Это явление, называемое холодной сваркой, давно известно инженерам, которые проектируют космические аппараты, как источник опасности. Так что же на самом деле происходит на атомном уровне и почему в космосе это происходит настолько легче? Ответ сводится к нехватке кислорода в космосе, рассказали эксперты изданию Live Science.

Металлы состоят из решёток — структур, где атомы связаны друг с другом. Но атомы у поверхности металла ничем не связаны со стороны, обращённой наружу. При удобном случае они «тянутся» наружу и делятся электронами с поверхностью другого куска металла.

Но на Земле почти любая металлическая поверхность покрыта слоем оксида. Этот слой толщиной всего в несколько атомов образуется, когда металл встречается с кислородом. «Как только оксид сформировался, всё кончено, — рассказала Live Science Джулия Грир, материаловед из Калифорнийского технологического института. — После этого холодная сварка уже невозможна, потому что кислород, по сути, гасит эти связи».

Этот тонкий оксид действует как изолирующая обёртка. Без него свободные электроны на поверхности одного куска металла перестают понимать, какому атому они принадлежат. «Эти электроны не знают, в этом они куске или в том, поэтому начинают делиться электронами, и это, по сути, холодно сваривает предметы вместе», — рассказал Live Science Свен Билен, профессор инженерного проектирования и аэрокосмической техники в Университете штата Пенсильвания.

В космосе нет кислорода, чтобы восстановить этот слой, как только он исчез. Холод и радиация только усугубляют положение. Бомбардировка солнечной и ионной радиацией на орбите может дочиста «вычистить» металлические поверхности, отметила Грир, оставляя свежеобнажённые атомы готовыми к связыванию. «В космосе всё способствует холодной сварке», — сказала она.

Металлические поверхности к тому же никогда не бывают идеально гладкими. На микроскопическом уровне они зазубрены — скорее как крошечные горные хребты, чем ровные равнины, сказал Захари Кордеро, инженер-аэрокосмик из Массачусетского технологического института.

Прижатие двух поверхностей друг к другу, особенно при скольжении или вибрации, может сорвать слой оксида, образовавшийся, пока металл был на Земле, и сгладить эти пики, доводя дело до контакта металла с металлом. «Вы разрушаете поверхностный оксид и образуете металлургические связи», — сказал Кордеро.

Почему холодная сварка тревожила первых инженеров космических аппаратов

Холодная сварка в космосе давно является проблемой. «Если происходит холодная сварка, детали могут застрять на месте, — рассказал Кордеро Live Science. — Если у вас есть раскрывающаяся конструкция и происходит холодная сварка, вы можете заблокировать механизм, или дверца может застрять, или что-то может обездвижиться, а это нежелательно».

Например, представьте, что вы вкрутили металлический винт в металлическую дверцу. Через некоторое время вы уже не сможете его выкрутить, потому что он станет частью дверцы.

Билен привёл в пример зонд NASA «Галилео», запущенный в 1989 году: считается, что потеря смазки и вибрации при запуске сорвали слой оксида с частей его сложенной остронаправленной антенны. Когда в 1991 году инженеры попытались раскрыть антенну, она так и не раскрылась полностью.

Некоторые металлы доставляют больше хлопот, чем другие. Золото и платина вообще не образуют оксидного слоя, даже на Земле, что делает их печально известными своей склонностью к холодной сварке. «Золото — безусловно, очень печально известный своей холодной сваркой металл», — сказала Грир, добавив, что мягкость золота позволяет ему легко подстраиваться под любую поверхность, которой оно касается, и оно связывается ещё легче.

Как предотвратить холодную сварку в космосе

Чтобы детали случайно не срослись на орбите, инженеры полагаются на несколько приёмов. Один из них — анодирование, процесс, который закрепляет искусственный оксидный слой на поверхности металла. Другой метод — покрывать движущиеся части сухими смазками, такими как дисульфид молибдена, чтобы физически не давать поверхностям соприкасаться.

Третья стратегия — соединять разнородные металлы: например, золото рядом с «объёмноцентрированным» металлом вроде молибдена, — чтобы их атомные структуры не совпадали так аккуратно. «Их порядок упаковки не совсем идеально совмещён, поэтому придётся преодолевать гораздо больший энергетический барьер», — сказала Грир.

Перед запуском аппаратуру также трясут на вибростолах и прогоняют через резкие перепады жары и холода внутри вакуумных камер, имитируя нагрузки при старте и на орбите, чтобы выявить проблемы ещё на земле.

Но даже при всех этих мерах предосторожности холодная сварка всё равно может случиться. Билен вспомнил, как болты в вакуумной камере его собственной лаборатории срослись намертво после переезда через кампус. В итоге их пришлось высверливать. «Это случается даже на Земле», — сказал он.

Источник