Proč se kovy ve vesmíru lepí k sobě?

Když na Zemi stlačíte dvě kovové desky k sobě, nic se nestane. Ale pokud tytéž desky vezmete do vesmírného vakua, mohou se spojit do jednoho kusu kovu. Tento jev, nazývaný studené svařování, je pro inženýry kosmických lodí známým nebezpečím již dlouho. Co se vlastně děje na atomové úrovni a proč to vesmír tolik usnadňuje? Důvodem je nedostatek kyslíku ve vesmíru.

V kovech jsou atomy uspořádány do mřížek – pravidelných struktur, kde jsou atomy vzájemně vázány sdílením svých okrajových elektronů (tzv. „kovová vazba“). V blízkosti povrchu kovu však atomy nejsou na vnější straně vázány k ničemu. Pokud dostanou příležitost, „natáhnou ruku“ a sdílejí elektrony s atomy povrchu jiného kusu kovu.

Oxidace

Na Zemi je však téměř každý kovový povrch pokryt vrstvou oxidu. Vrstva je tlustá jen několik atomů a vzniká, kdykoli se kov setká s kyslíkem. Tato tenká vrstva oxidu však už nemá na své vnější straně volné elektrony a funguje proto jako izolační obal. Bez něj by volné elektrony na styčné ploše dvou kovových kusů přestaly rozpoznávat, ke kterému atomu patří, nechaly by se sdílet atomy z obou kusů a „svařily“ by tyto kusy za studena dohromady.

Ve vesmíru není kyslík, který by vrstvu oxidů vybudoval. Naopak bombardování slunečním a iontovým zářením na oběžné dráze může oxidované kovové povrchy očistit a zanechat čerstvě exponované atomy připravené k vazbě.

Nerovnosti

Ani kovový povrch není nikdy dokonale hladký. Na mikroskopické úrovni je zubatý – spíše jako drobné pohoří než plochá pláň. Stlačením dvou kusů kovu k sobě, zejména při jakémkoli kluzu nebo vibracích, se však může odříznout vrstva oxidu vytvořená, když byl kov na Zemi. Přitom se zploští i původní vrcholy a vznikne plošný kontakt kovu na kov. Na něm se pak vytvoří elektronové vazby mezi atomy obou kusů.

Proč svařování za studena znepokojovalo rané inženýry kosmických lodí

Svařování za studena ve vesmíru je již dlouho problémem. Věci a součástky se mohou zaseknout na místě – řekněme například, že byste měli zašroubovat kovový šroub do kovových dveří. Po chvíli byste jej už nemohli vyšroubovat, protože by se stal součástí dveří. (Příkladem neblahého působení svařování za studena může být případ sondy NASA Galileo, která byla vypuštěna v roce 1989. Předpokládá se, že ztráta maziva a vibrace při startu strhly vrstvu oxidu z částí její svinuté antény. Když se inženýři v roce 1991 pokusili anténu rozvinout, nikdy se úplně neotevřela.)

Některé kovy jsou problematičtější

Zlato a platina vůbec netvoří vrstvu oxidu, a to ani na Zemi, což je činí zvláště ochotnými ke svařování za studena. Čisté zlato je navíc měkké a přizpůsobuje se proto snadno jakémukoli druhému povrchu kovu, kterého se dotkne. Proto se za studena svařuje zvláště snadno.

Jak zabránit svařování za studena ve vesmíru

Proti náhodnému spojování součástí na oběžné dráze používají inženýři několik strategií. Jednou z nich je eloxování (elektrolytická oxidace), proces, který vytvoří umělou pevnou vrstvu oxidu na kovovém povrchu, typicky na hliníku. Další metodou je potahování pohyblivých částí suchými mazivy, jako je disulfid molybdenu. Tím se zabrání kontaktu povrchů fyzicky. Třetí strategií je volba odlišných kovů – například zlata a molybdenu – s výrazně různými atomovými strukturami. Ty pak do sebe nezapadají a k jejich samovolnému spojení by bylo třeba překonat mnohem větší energetickou bariéru.

Před startem se také celé zařízení testuje na vibračních stolech a prochází extrémními výkyvy tepla a chladu uvnitř vakuových komor, čímž se simuluje namáhání při startu a na oběžné dráze, aby se případné problémy zachytily již na Zemi.

Zdroj: Life´s Little Mysteries