Dva komada metala mogu se spojiti bez taljenja ako njihove dovoljno čiste površine dođu u vrlo blizak dodir. Pojava se naziva hladno zavarivanje, a u svemirskim letjelicama može zakočiti mehanizam koji se trebao slobodno pomicati. Ipak, sama izloženost vakuumu ne znači da će se svi metalni dijelovi zalijepiti jedni za druge.
Presudno je stanje površine. Oksidni slojevi, premazi i maziva mogu spriječiti izravan kontakt metala, dok ih udarci i ponavljano trenje mogu oštetiti. Upravo zbog toga inženjeri ne provjeravaju samo čvrstoću dijela nego i što će se dogoditi na mjestu njegova dodira s drugim dijelom tijekom cijele misije.
Zašto se metal na Zemlji obično ne spoji pri dodiru?
Naizgled glatka metalna površina nije savršeno ravna. Na mikroskopskoj razini ima izbočine i udubine, pa dva prislonjena komada dodiruju jedan drugoga samo na dijelu ukupne površine. Često ih razdvaja i tanak sloj oksida ili drugih tvari.
Kisik iz zraka reagira s površinom mnogih metala i stvara oksidni sloj. On može biti toliko tanak da ga ne primjećujemo, ali je dovoljan da promijeni ponašanje dodirnih površina. Na površini mogu biti i molekule vezane iz okolnog plina, tragovi vlage, nečistoće ili namjerno nanesen zaštitni premaz.
Kad se te prepreke uklone i metalne površine dovoljno približe, među atomima s obiju strana može nastati metalna veza. Za takvo spajanje nije nužno prethodno rastaliti materijal. Naziv "hladno" odnosi se na izostanak taljenja pri zavarivanju, a ne na obvezno vrlo nisku temperaturu.
Nije stoga dovoljno prisloniti dvije žlice i očekivati da se spoje. Hoće li se površine spojiti, ovisi o materijalu, čistoći, površinskoj obradi i pritisku kojim se dijelovi dodiruju.
Vakuum ne uklanja automatski zaštitni sloj
Metalni dio koji sa Zemlje stigne u svemir sa sobom nosi i postojeći površinski sloj. Izostanak zraka ne znači da taj sloj odmah nestaje. Problem može nastati tek kada se zaštita ošteti i otkrije čist metal.
Tehnički pregled Europske svemirske agencije o hladnom zavarivanju posebno razmatra udarce i mala ponavljana pomicanja dodirnih površina. Takvo trenje može postupno istrošiti sloj koji je ranije razdvajao metalne dijelove.
Na Zemlji kisik može ponovno reagirati s otkrivenom površinom. U vakuumu se takva obnova oksidnog sloja ne odvija na isti način. Sljedeći dodir zato može biti drukčiji od prethodnog, iako su dijelovi izvana gotovo nepromijenjeni.
Za razumijevanje kvara važno je pratiti trošenje površine tijekom rada. Dijelovi se ne moraju spojiti pri prvom dodiru, ali se rizik može povećavati nakon brojnih pomicanja i oštećenja površine.
Kada spajanje postaje kvar?
Svemirska letjelica ovisi o dijelovima koji se nakon lansiranja moraju odvojiti, okrenuti ili rasklopiti. Spajanje na mjestu dodira može zaustaviti predviđeno gibanje iako nijedan dio nije slomljen. Čak i slab spoj može biti problem ako pogon nema dovoljno snage da razdvoji površine.
Vibracije tijekom lansiranja također mogu opteretiti mjesta dodira. U ESA-inu izvješću STM-279 opisani su pokusi u kojima se ispituje sklonost različitih parova materijala spajanju pri udarcima i trenju u vakuumu. Ne ponašaju se sve kombinacije jednako, pa odabir materijala mora odgovarati konkretnom mehanizmu.
To ne znači da je svako zapinjanje u svemiru hladno zavarivanje. Uzrok mogu biti istrošenost, deformacija, temperaturne promjene ili drugi problemi. Za utvrđivanje uzroka potrebni su podaci o radu mehanizma i pregled dodirnih površina, a ne samo činjenica da je uređaj bio u vakuumu.
Kako se dijelovi štite?
Jedno rješenje jest spriječiti neposredan dodir metalnih površina. To se postiže odgovarajućim premazima, mazivima i izborom materijala. Zaštita pritom mora izdržati predviđeni broj pomicanja, opterećenje i temperaturu.
Mazivo koje dobro radi u zemaljskim uvjetima ne mora biti prikladno za svemir. U vakuumu može isparavati ili otpuštati tvari koje se talože na osjetljivoj opremi. ESA-in pregled svemirske tribologije opisuje uporabu posebno formuliranih ulja i masti te tankih slojeva čvrstih maziva, primjerice molibdenova disulfida. Tribologija proučava trenje, trošenje i podmazivanje površina u dodiru.
Mazivo nije jedina zaštita. Konstrukcija može smanjiti udarce ili neželjena pomicanja, a pokusi u vakuumskoj komori trebaju pokazati kako se površine ponašaju nakon dugotrajnog rada. Mehanizam koji je nekoliko puta uspješno otvoren na stolu time još nije ispitan za sve uvjete misije.
Kozmos je ranije pisao o zatvaranju mikroskopske pukotine u metalnom uzorku. Takvi laboratorijski nalazi ne znače da se oštećena letjelica može sama popraviti. U mehanizmu koji se mora odvajati spajanje može biti upravo ono što treba spriječiti. Provjera zaštitnih slojeva nakon ponavljanih dodira stoga je važna koliko i njihovo stanje prije prvog pokretanja.
