Прижмите две металлические пластины друг к другу.
На Земле они просто лежат рядом. Раздельно. Скучно.
Но возьмите те же пластины на орбиту, прижмите их — и бах. Они становятся единым целым. Сплавляются. Навсегда.
Звучит как научная фантастика? Нет, это физика.
Этот феномен называется холодная сварка.
Инженеры борются с ней уже десятилетия. Почему же это происходит?
Всё дело в отсутствии кислорода.
«Как только образуется оксидный слой, проблема решена», — говорит Джулия Грир, материаловед из Калифорнийского технологического института (Caltech).
На Земле воздух мгновенно атакует металл. Кислород оседает на поверхности, создавая микроскопическую корку. Изолятор. Барьер.
Под этой оболочкой атомы в кристаллической решётке металла «ищут друзей».
А точнее, они хотят делиться электронами. Поверхностные атомы одинокы: их химические связи направлены в пустоту, навстречу ни к чему. Им жизненно необходим контакт.
Пока оксидная «кожа» целла, ничего не происходит.
А если её нарушить?
Хаос.
Эти поверхностные электроны теряют ориентацию. Остаться в детали А? Перейти в деталь Б? Не важно. Они начинают «плыть» через границу раздела.
По сути, металлы забывают, что являются отдельными объектами. Они превращаются в единую непрерывную структуру.
Свен Билён, инженер из Пенсильванского государственного университета, объясняет это просто: Они делят электроны. И это — сварной шов.
В космосе природа только подталкивает этот процесс.
Солнечная радиация и космические лучи очищают металлические поверхности от загрязнений. Вакуум не даёт кислороду снова сформировать защитную плёнку. Даже если оксидный слой выдерживает запуск, космос безжалостен. Он очищает поверхности до основания. Обнажает атомы. Готовит их к связыванию.
Закари Кордеро из Массачусетского технологического института (MIT) отмечает, что поверхности металлов и так не идеально гладкие. На микроскопическом уровне металл — это изрезанный ландшафт с множеством мелких пиков и впадин.
Сдвиньте их друг относительно друга?
Трение срезает эти пики. Разрушает оксидный слой. Сминает «горы», прижимая их к «долины» противоположной детали.
«Вы формируете металлургические связи», — пояснил Кордеро.
Настоящий контакт. Атомная близость.
Зачем кому-то об этом волноваться?
Представьте дверь или антенну спутника.
Если детали сварятся намертво, вы потеряете корабль.
«Вещи могут заклинить в одном положении», — предупреждает Кордеро.
Двери заедают. Выезжающие конструкции замерзают. Винты сплавляются с петлями настолько прочно, что открутить их можно, только расплавив всю сборку.
Помните зонд «Галилео»?
Запущен в 1989 году. Вибрации во время старта, скорее всего, стряхнули защитный оксидный слой с деталей его антенны.
Два года спустя, в 1992 году, инженеры попытались раскрыть высокоусиленную антенну. Она едва сдвинулась с места. Развернулась лишь частично.
Миссия «ковыляла» на низкоразрешающих данных годами из-за невидимой сварки в вакууме.
Некоторые металлы ведут себя хуже других.
Золото и платина вообще не окисляются естественным путём. Никогда.
Даже на Земле.
К тому же золото мягкое, что помогает ему идеально принимать форму контактирующей поверхности. По сути, это приманка для холодной сварки.
Джулия Грир называет такое поведение «пресловутым».
Действительно ли вы хотите золотое покрытие на соединении в космосе?
Скорее всего, нет.
Так как же с этим бороться?
Инженеры выстраивают оборону.
- Анодирование создаёт искусный, более прочный оксидный слой.
- Сухие смазки, такие как дисульфид молибдена, физически разделяют подвижные детали. Держат атомы на расстоянии.
- Комбинация разных материалов. Сочетание золота с металлами, имеющими объёмно-центрированную решётку (например, молибденом), работает потому, что их атомные структуры не совпадают. Атомам трудно найти «своих» соседей в чужой решётке. Это создаёт «энергетический барьер», как выражается Грир.
Тестирование проходит в экстремальных условиях.
Оборудование трясут на вибрационных стендах. Подвергают циклам заморозки и пекла в вакуумных камерах. Имитируют космические испытания на Земле, чтобы выявить отказы ещё до запуска.
Работает ли это безупречно?
Билён рассмеялся при такой мысли.
Однажды болты в его лаборатории слиплись воедино после простой переноски по территории кампуса. Космос не потребовался. Нужна была только вакуумная камера и неудачное стечение обстоятельств.
Им пришлось высверлить эти болты.
Холодная сварка подстерегает при любой ошибке. Она происходит и на Земле, если воздух достаточно разрежен, поверхность достаточно чиста, а давление — в точку.
Можно покрыть всё защитными слоями.
Можно изолировать каждый стык.
Но в глубинной пустоте тишина стремится объединять вещи. Навсегда.
