Чому метали злипаються в космосі?

Я повинен це опустити?
- Так, звісно.
Гаразд. Ми збираємось провести зварювання.
Тут на Землі, якщо ви хочете зварити або сплавити два метали, вам потрібно нагріти їх до температури плавлення.
Але в космосі все по-іншому, як ми з’ясували завдяки гіркому досвіду.
3 (третього) червня 1965 (тисяча дев'ятсот шістдесят п'ятого) року астронавт Ед Вайт став першим американцем, що вийшов у відкритий космос з борту Gemini IV ("Джеміні-чотири").
Застрахувавшись довгим фалом, він вилетів крізь відчинений люк за допомогою ручного пристрою на стиснутому повітрі.
Йому так сподобалось, що керівник польоту був змушений наполягати на поверненні.
- Керівник польоту наказав повернутися.
- Повернутися?
- Так.
- Роджере, ми намагалися поговорити з тобою тут.
Повертаючись у корабель, він сказав, це був найсумніший момент у його житті.
Та він не знав, що станеться далі.
- У космічному кораблі екіпаж зіткнувся з проблемою: люк не зачинявся.
Близько години не було повідомлень від Gemini IV.
- Він сказав, що зайнятий і не хоче говорити.
Пролітаючи над Африкою, вони опинились поза зоною зв'язку.
- Gemini IV, це Г'юстон. Повідомте ваш статус.
Але після застосування грубої сили вони зачинили той люк, і все було добре.
Початкове завдання вимагало чергової розгерметизації, потрібно було відкрити люк і викинути громіздке спорядження, потрібне для виходу у відкритий космос.
Але пілот Макдівітт повідомив, що за жодних обставин вони не відкриють люк знову.
Оператори подумали, що астронавти хотіли зберегти скафандр та газові пістолети як сувеніри.
Вони, зрештою, успішно повертаються на Землю зі спорядженням, яке буквально ледь помістилося в тісному модулі.
То чому ж люк заклинило?
Інженери NASA тоді визначили, що відмова була спричинена явищем холодного зварювання.
В космосі, два метали при контакті можуть з'єднатися (як у випадку зварювання) без нагрівання або плавлення.
І причина цього - в атомарній структурі металів, яка трохи нагадує будову батончика.
У вузлах кристалічної ґратки металів - додатно заряджені йони, як арахіс тут.
Між вузлами металічної ґратки - море вільних електронів. У батончику це карамель.
Тут на Землі поверхневі шари металу реагують з атмосферним киснем, утворюючи захисний оксидний шар.
Він запобігає з'єднанню двох шматків металу разом.
Але в космосі цей оксидний шар може щезнути.
Якщо два шматки металу не ковзають один по одному (як у шарнірах), то непокриті оксидною плівкою метали при стисканні або ударі можуть з'єднатися, злитися разом, так, що електрони з одного шматка металу зможуть перетікати в інший.
Як казав Річард Файнман, "атоми ніяк не можуть знати, що вони належать різним шматкам".
Очевидно, що це має величезні наслідки для будівництва й обслуговування космічних кораблів на кшталт МКС.
То чому відсутні згадки про постійні такі аварійні ситуації в космосі?
Я маю на увазі, чому МКС не стала великою звареною конструкцією?
Правда в тому, що холодне зварювання - не така вже й велика проблема, як вважалось спочатку.
Експерименти на Землі у вакуумних камерах і в космосі показали, що ідеально чисті металеві поверхні, стиснуті разом за відсутності атмосфери, зварюються разом.
Але метали, використовувані в космічних кораблях, ніколи не бувають настільки чистими.
На них є оксидні шари, не кажучи вже про різні забруднення: частинки пилу і жир.
Потрібно надто багато часу для усунення забруднень, тож контактують нечисті поверхні.
Проблема з люком Gemini-4 не була насправді викликана холодним зварюванням.
Це було механічне заклинювання.
Але холодне зварювання - це не вигадка чи міф.
Наприклад, у 1991 (дев'яносто першому) космічний апарат "Галілео" летів до Юпітера.
Коли вчені спробували розгорнути його вузькоспрямовану антену, яка розкривалася ніби парасоля, вона застрягла.
Три з 18 (вісімнадцяти) ребер антени відмовилися відкриватися, що частково було пов'язано з холодним зварюванням:
шпиці застрягли на місці, і все, що вчені намагалися вдіяти, не допомогло.
Врешті-решт їм довелося розв'язувати проблему надсилання даних з Юпітера за допомогою малопотужної антени, що взагалі не передбачалося.
У звіті Європейського космічного агентства рекомендуються три основні способи зниження ризику холодного зварювання.
Перший. Повсюди, де це можливо, використовувати пластмасу або кераміку.
Другий. Намагатися при необхідності використовувати два різні метали або два різні сплави, тому що це знижує ризик зварювання цих металів.
І третій. Використовувати довговічні зносостійкі покриття, щоб уникнути контакту оголених металів.
Холодне зварювання - це не завжди щось небажане.
Воно надзвичайно корисне у нанотехнологічних виробництвах.
Традиційні зварювальні техніки в таких крихітних масштабах часто можуть бути незастосовними, тому що ви намагаєтеся нагріти крихітний об'єкт, що може швидко завершитися розплавленим безладом.
Отже, в умовах, дуже схожих на космічний вакуум, вчені показали, що монокристалічні золоті нанопровідники зливаються між собою за лічені секунди без підведення тепла, лише завдяки холодному зварюванню.
Ці зварювальні шви ідеальні, кристалічна структура цілковито та сама за механічними й електричними властивостями.
Тож, хоча холодне зварювання є потенційною проблемою в космосі, воно надзвичайно корисне тут, на Землі у нанотехнологічних виробництвах.