Холодное сваривание — угроза для космических кораблей? [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой.
[музыка]
Щиток опускать? Да, конечно. Ну вот, сейчас займемся сваркой. Поехали.
Здесь, на земле, чтобы соединить два куска металла, нужно нагреть их выше точки плавления. Совсем другое дело в космосе, как мы узнали на нелегком опыте.
[музыка]
3 июня 65 года астронавты Thwaite, первым из американцев, вышел в открытый космос. Сбор The Gemini 4s капсулы его связывал длинный шланг золотое оплетки, а передвигался он, пускай, а сжатый кислород из особого пистолета. Он так увлекся, что вернулся на борт только по приказу центра управления.
Возвращаться, возвращаться и возвращаться. Возвращаясь назад, White отметил, что это самый грустный момент в его жизни. Он еще не знал, что случится дальше.
Внутри корабля экипаж столкнулся с проблемой: люк не закрывался. Примерно час Gemini 4 не выходил на связь. Может, сейчас, затем, пролетая над Африкой, корабль вышел из зон радиосвязи. Пришлось повозиться и приложить грубую силу, но люк удалось задрать.
По плану было предусмотрено еще одна разгерметизация. Космонавты должны были открыть люк, чтобы сбросить громоздкую экипировку для выхода в космос, но пилот радиолировал, что открывать они ничего больше не будут. В центре решили, что астронавты хотят сохранить скафандр и газовые пистолеты на память.
Экипаж благополучно вернулся на землю. При этом все пространство для ног в тесном модуле была забита этими сувенирами. Так почему не закрывался люк?
В то время инженеры НАСА пришли к выводу, что причиной стало так называемое холодное сваривание. Дело в том, что в космосе металлические детали могут привариваться просто прикасаясь друг к другу без предварительного нагрева и плавки. Это возможно, потому что структура всех металлов подобна этому корабельному батончику — решетка из положительных ионов, в нашем случае арахис, погруженный в море свободно движущихся отрицательных электронов.
Здесь это, кроме на земле, поверхностные слои металла реагируют с атмосферным кислородом, образуя защитный оксидный слой, который и не дает двум кускам металла соединиться. Но в космосе этот оксидный слой может стереться, например, когда две части шарнира скользят друг по другу, и тогда металлические поверхности могут соединяться даже от слабого нажима или удара, и электроны начнут свободно перемещаться туда-сюда. Как описывал это Ричард Фейнман, атомы металла просто не знают, что находятся в разных кусках.
Это здорово сказывается на постройке и обслуживании космических аппаратов, таких как МКС. Почему мы не слышим от других похожих случаях в космосе? Почему тоже МКС еще не стала глыбой сваренного металла? На самом деле холодное сваривание не столь большая проблема, как поначалу считалось.
До опыт и вакуумных камерах на земле и в космосе показали, что плотно прижатые друг к другу идеально чистые металлические поверхности быстро привариваются. Но на деле используемые в космических аппаратах металлы не такие чистые, они покрыты оксидным слоем, не говоря о прочих примесях, а грязи и масла. Поэтому, чтобы началось прикасаться имена, голый металл нужно довольно много времени.
Эта проблема с трюком же, менее 4, на самом деле была вызвана не холодным свариванием. Дверь просто заклинило. Но это не значит, что явление холодной сварки никогда не возникает. В девяносто первом году космический аппарат Галила держал курс на Юпитер, когда учёные начали раскрывать сложенную как зонт основную антенну. Ее механизм заело, не раскрылась три ребра из 18, и одной из причин как раз оказалось то, что они просто приварили штифты на месте.
Чтобы учёные не делали, устройство не открывалось. В итоге для передачи данных с Юпитера пришлось задействовать не предназначенную для такой работы маломощную.
В докладе Европейского космического агентства 2009 года приведены три способа снижения риска холодного сваривания:
- Где можно применять пластики либо керамику, избегая контакта металла с металлом.
- Если от взаимного касания металлов нельзя отказаться, следует применять два разных металла или разные сплавы, что снизит риск того, что они сварятся.
- Максимально использовать прочные и износостойкие покрытия на металлических поверхностях.
Холодное сваривание — это не всегда плохо. Она, например, оказалась весьма полезным в сфере нанотехнологий, ведь обычные способы сварки при столь малых размерах часто ведут к неудачам.
Попытки точечно подать тепло на крошечные нанонити могут привести к расплавленной лужице. Учёные показали, что в условиях, близких к космическому вакууму, отдельные нитевидные нанокристаллы золота можно соединить за секунды безо всякого тепла, одной лишь холодной сваркой. Причем такие соединения безупречны, они идентичны остальному объему нанонитей по кристаллической структуре, механическим и электрическим свойствам.
Так что, хотя холодное сваривание может создать трудности в космосе, она невероятно полезна для нанотехнологии. Здесь, на земле, переведено и озвучено студией Вверх Гайдар.