Schieben Sie zwei Metallplatten.
Auf der Erde sitzen sie da. Separate. Langweilig.
Bringen Sie dieselben Platten in die Umlaufbahn, drücken Sie sie zusammen und bam. Ein Stück. Verschmolzen. Dauerhaft.
Es klingt wie Science-Fiction. Es ist Physik.
Das Phänomen wird Kaltschweißen genannt.
Ingenieure hassen es seit Jahrzehnten. Warum passiert es?
Kein Sauerstoff.
„Sobald sich das Oxid gebildet hat, ist es vorbei“, sagte Julia Greer, Materialwissenschaftlerin am Caltech.
Auf der Erde greift Luft Metall sofort an. Sauerstoff haftet an der Oberfläche und bildet eine mikroskopisch kleine Kruste. Ein Isolator. Eine Barriere.
Darunter wollen Atome in einem Metallgitter Freunde.
Konkret wollen sie Elektronen teilen. Oberflächenatome sind einsam; Sie haben Bindungen, die nach außen ins Nichts zeigen. Sie sehnen sich nach Kontakt.
Wenn diese Oxidhaut an Ort und Stelle bleibt, passiert nichts.
Die Haut brechen?
Chaos.
Diese Oberflächenelektronen wissen nicht, wo sie hingehören. Bleiben sie in Teil A? Mit Teil B fortfahren? Es spielt keine Rolle. Sie beginnen, über die Grenze zu schwimmen.
Im Wesentlichen vergessen die Metalle, dass sie separate Objekte sind. Sie werden zu einer zusammenhängenden Struktur.
Sven Bilén, Ingenieur an der Penn State, bringt es auf den Punkt: Sie teilen sich die Elektronen. Das ist die Schweißnaht.
Im Weltraum will ihnen die Natur weiterhelfen.
Sonnenstrahlung und kosmische Strahlung reinigen Metalloberflächen sauber. Das Vakuum verhindert, dass Sauerstoff diese schützende Kruste neu bildet. Selbst wenn die Schicht den Start überlebt, ist der Weltraum unerbittlich. Es entblößt die Dinge. Legt die Atome frei. Bereitet sie auf eine Bindung vor.
Zachary Cordero vom MIT sagt, Oberflächen seien ohnehin nicht glatt. Auf mikroskopischer Ebene ist Metall eine zerklüftete Landschaft aus winzigen Gipfeln und Tälern.
Zusammenschieben?
Reibung schneidet diese Spitzen ab. Bricht das Oxid auf. Zermalmt die Hügel flach gegen die Täler.
„Sie bilden metallurgische Bindungen“, sagte Cordero.
Echter Kontakt. Atomare Intimität.
Warum kümmert es irgendjemanden?
Stellen Sie sich eine Tür vor. Oder eine Satellitenantenne.
Wenn die Teile verschweißen, verliert man das Schiff.
„Dinge können an Ort und Stelle stecken bleiben“, warnte Cordero.
Türen verriegeln. Einsatzfähige Strukturen frieren ein. Die Schrauben verschmelzen so fest mit den Scharnieren, dass man sie nicht lösen kann, ohne dass die gesamte Baugruppe schmilzt.
Erinnern Sie sich an die Galileo-Sonde?
Gestartet im Jahr 1989. Vibrationen während des Starts haben wahrscheinlich das schützende Oxid auf seinen Antennenteilen abgeschüttelt.
Zwei Jahre später versuchten Ingenieure im Jahr 1992, die Hochleistungsantenne auszurollen. Sie bewegte sich kaum. Nur teilweise Bereitstellung.
Wegen unsichtbarer Schweißnähte im Vakuum lief die Mission jahrelang auf niedrig aufgelösten Daten hin.
Manche Metalle sind schlimmer als andere.
Gold und Platin weigern sich, auf natürliche Weise zu oxidieren. Immer.
Sogar auf der Erde.
Gold ist außerdem weich, wodurch es sich besser an die passenden Oberflächen anpasst. Es handelt sich im Wesentlichen um Kaltschweißköder.
Julia Greer nennt es „berüchtigt“.
Wollen Sie wirklich ein vergoldetes Gelenk im Weltraum?
Wahrscheinlich nicht.
Wie können wir es also stoppen?
Ingenieure spielen Verteidigung.
- Eloxieren sorgt für eine künstliche, härtere Oxidschicht.
- Trockenschmierstoffe wie Molybdändisulfit trennen bewegliche Teile physikalisch. Halten Sie die Atome auseinander.
- Mischen und kombinieren Sie Materialien. Die Kombination von Gold mit einem raumzentrierten Metall wie Molybdän funktioniert, weil ihre atomaren Packungsstrukturen nicht gut ausgerichtet sind. Den Atomen fällt es schwer, Nachbarn in der falschen Struktur zu finden. Es entsteht eine „energetische Barriere“, wie Greer es ausdrückt.
Tests sind brutal.
Sie schütteln die Hardware auf Rütteltischen. Lassen Sie sie in Vakuumkammern eiskalt und glühend heiß werden. Imitieren Sie die Folter des Weltraums am Boden, um Ausfälle vor dem Abheben zu erkennen.
Funktioniert es perfekt?
Bilén lachte über diese Idee.
Die Bolzen in seinem Labor verschmolzen einmal nach einer einfachen Bewegung über den Campus. Kein Platzbedarf. Nur eine Vakuumkammer und Pech.
Sie mussten sie ausbohren.
Kaltschweißen wartet auf jeden Fehler. Das passiert auch auf der Erde, wenn die Luft dünn genug, die Oberfläche sauber genug und der Druck stimmt.
Man kann alles beschichten.
Sie können jedes Gelenk isolieren.
Aber in der tiefen Leere bringt Stille die Dinge tendenziell zusammen. Permanent.
