Холодная сварка в космосе: почему металлы слипаются без клея и кислорода

Если на Земле прижать друг к другу две металлические пластины, ничего особенного не произойдет. Но стоит перенести те же пластины в вакуум открытого космоса — и они способны слиться в единый кусок металла без всякого клея и нагрева. Это явление называется холодной сваркой, и инженеры космических аппаратов знают о нем не понаслышке уже много десятилетий. Что же именно происходит на атомном уровне и почему космос так упрощает этот процесс? Ответ, как объяснили эксперты Live Science, кроется в отсутствии кислорода.

Химия поверхности: что мешает металлам слипаться на Земле

Металлы состоят из кристаллических решеток — упорядоченных структур, где атомы прочно связаны друг с другом. Однако атомы на самой поверхности металла с внешней стороны ни с чем не связаны. Если им дать такую возможность, они «потянутся» наружу и начнут делиться электронами с поверхностью другого куска металла.

На Земле этому препятствует оксидная пленка. Практически любая металлическая поверхность покрыта слоем оксида толщиной всего в несколько атомов, который образуется при контакте металла с кислородом. «Как только оксид сформирован — всё, процесс окончен, — объяснила Джулия Грир, материаловед из Калифорнийского технологического института. — После этого холодная сварка уже невозможна, потому что кислород, по сути, пассивирует эти связи».

Тонкий слой оксида работает как изолирующая обертка. Без него свободные электроны на поверхности одного куска металла перестают «понимать», какому именно атому они принадлежат. «Эти электроны не различают, в этом они куске или в том, поэтому они начинают делиться — и это, по существу, сваривает предметы воедино», — пояснил Свен Билен, профессор инженерного проектирования и аэрокосмической техники Университета штата Пенсильвания.

В космосе же кислорода нет, и восстановить оксидный слой попросту неоткуда. Холод и радиация лишь усугубляют ситуацию. Бомбардировка солнечной и ионной радиацией на орбите способна буквально «слизывать» поверхность металла дочиста, оставляя свежие, готовые к сцепке атомы. «В космосе всё способствует холодной сварке», — констатирует Грир.

Микроскопические горы и срезанный оксид

Металлические поверхности никогда не бывают идеально гладкими. На микроскопическом уровне они зазубрены — скорее напоминают крошечные горные хребты, чем ровную равнину, рассказал Закари Кордеро, аэрокосмический инженер из Массачусетского технологического института. Когда две поверхности прижимаются друг к другу, особенно если присутствует скольжение или вибрация, эти микроскопические пики срезают оксидную пленку и входят в прямой контакт металл-к-металлу. «Вы разрушаете поверхностный оксид и формируете металлургические связи», — говорит Кордеро.

Почему инженеры боятся холодной сварки с 1980-х

Холодная сварка в космосе — проблема с долгой историей. «Если происходит холодная сварка, детали могут заклинить, — предупредил Кордеро. — Если у вас развертываемая конструкция, механизм может застыть, дверь — заблокироваться, что-то окажется обездвиженным, а вы этого совсем не хотите». Простой пример: вкрутите металлический винт в металлическую дверь — и через некоторое время выкрутить его уже не получится, потому что он станет с дверью одним целым.

Билен напомнил о зонде NASA «Галилео», запущенном в 1989 году. Потеря смазки и вибрации при старте, как полагают, сорвали оксидный слой с частей его сложенной антенны с высоким коэффициентом усиления. Когда в 1991 году инженеры попытались развернуть антенну, она так и не открылась до конца — этот сбой принято списывать именно на холодную сварку.

Некоторые металлы доставляют больше хлопот, чем другие. Золото и платина не образуют оксидного слоя вовсе — даже на Земле, что делает их печально известными своей склонностью к холодной сварке. «Золото определенно очень скандально в этом плане, — отметила Грир, добавив, что мягкость золота позволяет ему легко подстраиваться под любую контактирующую поверхность и сцепляться еще охотнее.

Три способа обмануть физику

Чтобы предотвратить случайное сращивание деталей на орбите, инженеры используют несколько стратегий. Первая — анодирование, процесс, при котором на поверхности металла искусственно создается прочный оксидный слой. Вторая — покрытие движущихся частей сухими смазочными материалами вроде дисульфида молибдена, которые физически не дают поверхностям соприкасаться. Третья стратегия — компоновать разнородные металлы, например золото рядом с металлом с объемно-центрированной решеткой вроде молибдена, чтобы их атомные структуры не совпадали идеально. «Их порядок упаковки не совсем выровнен, и поэтому возникает гораздо более серьезный энергетический барьер, который нужно преодолеть», — пояснила Грир.

Перед запуском оборудование трясут на вибрационных столах и прогоняют через экстремальные перепады температур в вакуумных камерах, имитируя нагрузки старта и орбиты, чтобы выявить проблемы еще на земле. Однако даже всех этих мер предосторожности не всегда достаточно. Билен вспомнил, как болты в вакуумной камере его собственной лаборатории намертво сварились после переезда через кампус. Их в итоге пришлось высверливать. «Такое случается даже на Земле», — признался он.

Источники:
Материал написан на основе публикации Live Science, комментариев Джулии Грир (Калифорнийский технологический институт), Свена Билена (Университет штата Пенсильвания) и Закари Кордеро (Массачусетский технологический институт), а также исторических данных о миссии NASA «Галилео». Иллюстрация предоставлена MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images.