Dociśnij do siebie dwie metalowe płytki.
Na Ziemi po prostu leżą obok siebie. Osobno. Nudny.
Ale weź te same płyty na orbitę, naciśnij je i bang. Stają się jednym. Ruchomy. Na zawsze.
Brzmi jak science fiction? Nie, to fizyka.
Zjawisko to nazywa się spawaniem na zimno.
Inżynierowie walczą z tym od dziesięcioleci. Dlaczego tak się dzieje?
Wszystko przez brak tlenu.
„Gdy utworzy się warstwa tlenku, problem zostanie rozwiązany” – mówi Julia Greer, materiałoznawca z Kalifornijskiego Instytutu Technologii (Caltech).
Na Ziemi powietrze natychmiast atakuje metal. Tlen osadza się na powierzchni, tworząc mikroskopijną skorupę. Izolator. Bariera.
Pod tą powłoką atomy w sieci krystalicznej metalu „szukają przyjaciół”.
Dokładniej, chcą dzielić się elektronami. Atomy powierzchniowe są samotne: ich wiązania chemiczne skierowane są w pustkę, w nicość. Pilnie potrzebują kontaktu.
Dopóki „skórka” tlenkowa jest nienaruszona, nic się nie dzieje.
A jeśli jest zepsuty?
Chaos.
Te elektrony powierzchniowe ulegają dezorientacji. Bądź szczegółowy A? Przejdź do szczegółu B? Nie ma znaczenia. Zaczynają „pływać” po interfejsie.
Zasadniczo metale zapominają, że są oddzielnymi przedmiotami. Zamieniają się w jedną ciągłą strukturę.
Sven Bilen, inżynier z Pennsylvania State University, wyjaśnia to w prosty sposób: Dzielą się elektronami. A to jest spoina.
W kosmosie natura jedynie popycha ten proces do przodu.
Promieniowanie słoneczne i promienie kosmiczne oczyszczają powierzchnie metalowe z zanieczyszczeń. Podciśnienie zapobiega ponownemu tworzeniu się filmu ochronnego przez tlen. Nawet jeśli warstwa tlenku przetrwa start, przestrzeń jest bezlitosna. Czyści powierzchnie aż do podłoża. Ujawnia atomy. Przygotowuje je do oprawy.
Zachary Cordero z Massachusetts Institute of Technology (MIT) zauważa, że powierzchnie metalowe i tak nie są idealnie gładkie. Na poziomie mikroskopowym metal to nierówny krajobraz z wieloma małymi szczytami i dolinami.
Przesunąć je względem siebie?
Tarcie odcina te szczyty. Niszczy warstwę tlenkową. Miażdży „góry”, dociskając je do „dolin” przeciwnej części.
„Tworzycie połączenia metalurgiczne” – wyjaśnił Cordero.
Prawdziwy kontakt. Bliskość atomowa.
Dlaczego ktoś miałby się tym przejmować?
Wyobraź sobie drzwi lub antenę satelitarną.
Jeśli części zostaną szczelnie zespawane, stracisz statek.
„Rzeczy mogą utknąć w jednej pozycji” – ostrzega Cordero.
Drzwi są zablokowane. Poruszające się konstrukcje zamarzają. Śruby są tak mocno wtopione w zawiasy, że można je odkręcić jedynie poprzez stopienie całego zestawu.
Pamiętacie sondę Galileo?
Wystrzelony w 1989 roku. Wibracje występujące podczas startu najprawdopodobniej spowodowały strzępienie ochronnej warstwy tlenku z części anteny.
Dwa lata później, w 1992 r., inżynierowie podjęli próbę zaprezentowania anteny o dużym wzmocnieniu. Ledwo ruszyła się ze swojego miejsca. Tylko częściowo rozłożony.
Misja przez lata korzystała z danych o niskiej rozdzielczości z powodu niewidocznego spawania w próżni.
Niektóre metale zachowują się gorzej niż inne.
Złoto i platyna w ogóle nie utleniają się w sposób naturalny. Nigdy.
Nawet na Ziemi.
Dodatkowo złoto jest miękkie, co sprawia, że idealnie przybiera kształt stykającej się powierzchni. Zasadniczo jest to przynęta do spawania na zimno.
Julia Greer nazywa to zachowanie „notorycznym”.
Czy naprawdę chcesz złocić połączenie w kosmosie?
Najprawdopodobniej nie.
Jak więc sobie z tym poradzić?
Inżynierowie budują obronę.
- Anodowanie tworzy subtelną, trwalszą warstwę tlenku.
- Suche smary, takie jak dwusiarczek molibdenu, fizycznie oddzielają ruchome części. Trzymaj atomy na dystans.
- Połączenie różnych materiałów. Łączenie złota z metalami skupionymi na ciele (takimi jak molibden) działa, ponieważ ich struktura atomowa nie jest taka sama. Atomom trudno jest znaleźć „swoich” sąsiadów w sieci innej osoby. Tworzy to „barierę energetyczną”, jak to ujął Greer.
Testowanie odbywa się w ekstremalnych warunkach.
Sprzęt jest wstrząśnięty na stojakach wibracyjnych. Poddawane cyklom zamrażania i pieczenia w komorach próżniowych. Symulują testy kosmiczne na Ziemi, aby zidentyfikować awarie przed startem.
Czy to działa bez zarzutu?
Bilen zaśmiał się na tę myśl.
Któregoś dnia śruby w jego laboratorium skleiły się po tym, jak po prostu niesiono je po kampusie. Nie wymaga miejsca. Wystarczyła komora próżniowa i niefortunny zbieg okoliczności.
Musieli wywiercić te śruby.
Spawanie na zimno czeka na jakikolwiek błąd. Dzieje się tak również na Ziemi, jeśli powietrze jest wystarczająco rozrzedzone, powierzchnia jest wystarczająco czysta, a ciśnienie jest odpowiednie.
Wszystko możesz pokryć warstwami ochronnymi.
Każde złącze można zaizolować.
Ale w głębokiej pustce cisza ma tendencję do jednoczenia rzeczy. Na zawsze.
