Космическим агентствам приходится принимать ряд мер предосторожности против холодной сварки оборудования в открытом космосе. (Roberto Machado Noa via Getty Images)Почему металл слипается в космосе?

 

Если на Земле сжать две металлические пластины, ничего не произойдёт. Но если эти же пластины поместить в вакуум космического пространства, они могут сплавиться в единый кусок металла.

 

Это явление, называемое холодной сваркой, давно известно как опасность для инженеров космических аппаратов. Так что же на самом деле происходит на атомном уровне, и почему в космосе этот процесс намного проще?

 

Как сообщили эксперты изданию Live Science, ответ кроется в нехватке кислорода в космосе.

 

Металлы состоят из кристаллических решеток — структур, в которых атомы связаны друг с другом. Но атомы, находящиеся вблизи поверхности металла, не связаны ни с чем на внешней стороне. Если им предоставится такая возможность, они «протянутся» и поделятся электронами с поверхностью другого куска металла.

Но на Земле почти каждая металлическая поверхность покрыта слоем оксида. Этот слой состоит всего из нескольких атомов и образуется при контакте металла с кислородом. «Как только оксид образуется, процесс завершен», — сказала Джулия Грир, специалист по материаловедению из Калифорнийского технологического института, в интервью Live Science. «После этого холодная сварка становится невозможной, потому что кислород, по сути, пассивирует эти связи».

 

Этот тонкий слой оксида действует как изолирующая оболочка. Без него свободные электроны на поверхности одного металлического элемента перестают определять, к какому атому они принадлежат. «Эти электроны не знают, находятся ли они в этом элементе или в другом, поэтому они начинают обмениваться электронами, и, по сути, это приводит к холодной сварке», — объяснил Live Science Свен Билен, профессор инженерного проектирования и аэрокосмической техники в Университете штата Пенсильвания.

 

В космосе нет кислорода, чтобы восстановить этот слой после его разрушения. Холод и радиация усугубляют ситуацию. По словам Грир, бомбардировка солнечным и ионным излучением на орбите может полностью очистить металлические поверхности, оставляя свежеобнаженные атомы, готовые к образованию связей. «В космосе все способствует холодной сварке», — сказала она.

 

Металлические поверхности тоже никогда не бывают идеально гладкими. На микроскопическом уровне они имеют зазубренную структуру — больше похожую на крошечные горные хребты, чем на плоские равнины, — говорит Закари Кордеро, инженер-аэрокосмист из Массачусетского технологического института.

 

Прижимание в космосе двух поверхностей друг к другу, особенно при скольжении или вибрации, может привести к отслаиванию оксидного слоя, образовавшегося во время нахождения металла на Земле, и сглаживанию этих выступов, обеспечивая контакт металла с металлом. «При разрушении поверхностного оксида образуются металлургические связи», — сказал Кордеро.

 

Иллюстрация космического аппарата НАСА «Галилео», высокоэффективная антенна которого так и не раскрылась полностью во время полета к Юпитеру. Причиной поломки часто называют холодную сварку. (MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images)Почему холодная сварка вызывала беспокойство у первых инженеров-космонавтов?

 

Холодная сварка в космосе давно является проблемой. «Если происходит холодная сварка, детали могут заклинить», — сообщил Кордеро в интервью Live Science. «Если у вас есть развертываемая конструкция, и происходит холодная сварка, механизм может заклинить, дверь может заблокироваться, или что-то может обездвижиться, чего вы точно не хотите».

 

Например, представьте, что вы вкрутили металлический винт в металлическую дверь. Через некоторое время вы не сможете его открутить, потому что он станет частью двери.

 

Билен указал на зонд НАСА «Галилео», запущенный в 1989 году: считается, что потеря смазки и вибрации во время запуска привели к отслоению оксидного слоя с некоторых частей его свернутой высокоэффективной антенны. Когда инженеры попытались развернуть антенну в 1991 году, она так и не раскрылась полностью.

 

Некоторые металлы более проблематичны, чем другие. Золото и платина вообще не образуют оксидного слоя, даже на Земле. «Золото, безусловно, очень печально известно своей склонностью к холодной сварке», — сказала Грир, добавив, что мягкость золота позволяет ему легко прилегать к любой поверхности, с которой оно соприкасается, и еще легче образовывать соединения.

 

Как предотвратить холодную сварку в космосе

Чтобы предотвратить случайное слияние компонентов на орбите, инженеры используют несколько стратегий. Одна из них — анодирование, процесс, при котором искусственный оксидный слой закрепляется на металлической поверхности. Другой метод — покрытие движущихся частей сухими смазочными материалами, такими как дисульфид молибдена, чтобы физически предотвратить соприкосновение поверхностей.

 

Третья стратегия заключается в том, чтобы соединять разнородные металлы — например, золото рядом с металлом с объемноцентрированной решеткой, таким как молибден, — так, чтобы их атомные структуры не совпадали так идеально. «Порядок их упаковки не совсем идеально выровнен, поэтому им придется преодолевать гораздо больший энергетический барьер», — рассказала Грир.

 

Перед запуском оборудование подвергается испытаниям на виброплатформах и проходит через экстремальные перепады температур внутри вакуумных камер, имитируя нагрузки при старте и на орбите, чтобы выявить и предотвратить проблемы заранее.

 

Даже при всех этих мерах предосторожности холодная сварка все равно может произойти. Билен вспомнил, как болты в вакуумной камере его собственной лаборатории заклинило после перемещения по кампусу. В итоге их пришлось высверливать. «Такое случается даже на Земле», — сказал он.

 

— Этот информационный бюллетень был написан Ларисой Г. Капеллой и отредактирован Лаурой Геггели и Лаурой Мондрагон.