کابوس جوش سرد؛ چرا فلزات در فضا به یکدیگر می‌چسبند؟

خلاصه مقاله:

• جوش سرد پدیده‌ای است که در آن دو سطح فلزی بسیار تمیز در خلأ فضا، بدون نیاز به حرارت یا ذوب‌شدن، در سطح اتمی به یکدیگر متصل می‌شوند و مانند یک قطعه فلزی واحد رفتار می‌کنند.
• روی زمین، لایه نازک اکسیدی که در اثر تماس فلز با اکسیژن هوا تشکیل می‌شود، مانع تماس مستقیم اتم‌های دو فلز می‌شود و از وقوع جوش سرد جلوگیری می‌کند.
• خلأ فضا، نبود اکسیژن و تابش‌های پرانرژی باعث می‌شوند سطح فلزها تمیز و بسیار واکنش‌پذیر باقی بماند و احتمال ایجاد جوش سرد به‌طور چشمگیری افزایش یابد.
• جوش سرد می‌تواند قطعات متحرک فضاپیماها، از جمله آنتن‌ها، صفحات خورشیدی و بازوهای رباتیک را به هم بچسباند و عملکرد آن‌ها را مختل یا حتی یک مأموریت فضایی را با شکست روبه‌رو کند.
• یکی از مشهورترین نمونه‌های احتمالی این پدیده، باز نشدن کامل آنتن فضاپیمای گالیله ناسا است که برخی پژوهشگران آن را ناشی از جوش سرد در بخش‌هایی از سازوکار آنتن می‌دانند.
• برای کاهش خطر جوش سرد، مهندسان فضایی از پوشش‌های محافظ، روان‌کننده‌های خشک، استفاده از فلزهای متفاوت و آزمایش‌های گسترده در محفظه‌های خلأ پیش از پرتاب فضاپیماها استفاده می‌کنند.

اگر دو صفحه فلزی را روی زمین محکم به یکدیگر فشار دهید، اتفاق خاصی رخ نمی‌دهد. اما اگر همین دو قطعه فلز را در خلأ فضا به هم بچسبانید، ممکن است به مرور زمان به یک قطعه فلزی واحد تبدیل شوند؛ گویی بدون حرارت، بدون ذوب‌شدن و بدون هیچ چسبی به یکدیگر جوش خورده‌اند.

پدیده اتصال فلزات در فضا که با نام جوش سرد شناخته می‌شود، دهه‌هاست یکی از چالش‌های مهم مهندسان صنعت فضایی به شمار می‌رود. اگر قطعات متحرک یک ماهواره یا فضاپیما به دلیل جوش سرد به هم بچسبند، ممکن است هرگز دوباره از هم جدا نشوند و این اتفاق می‌تواند عملکرد کل مأموریت را مختل کند.

اما چرا چنین چیزی در فضا رخ می‌دهد، در حالی که روی زمین تقریباً هرگز شاهد آن نیستیم؟

برای درک جوش سرد، ابتدا باید بدانیم فلزها چگونه ساخته شده‌اند. فلزها از میلیاردها اتم تشکیل شده‌اند که در آرایشی منظم و تکرارشونده کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. دانشمندان به این آرایش منظم شبکه بلوری می‌گویند.

هر اتم درون این شبکه با اتم‌های اطراف خود پیوند برقرار کرده است. اما اتم‌هایی که روی سطح فلز قرار دارند، وضعیت متفاوتی دارند. آن‌ها از یک سمت به اتم‌های داخلی متصل‌اند، اما از سمت بیرونی هیچ همسایه‌ای ندارند. در نتیجه، پیوندهای شیمیایی آن‌ها به نوعی «ناتمام» باقی می‌ماند و آماده‌اند در صورت پیدا کردن اتم مناسب، با آن پیوند برقرار کنند.

اگر دو سطح فلزی کاملاً تمیز و بدون هیچ مانعی کنار هم قرار بگیرند، این اتم‌های سطحی می‌توانند الکترون‌های خود را با اتم‌های فلز مقابل به اشتراک بگذارند. در این حالت، دیگر مرزی میان دو قطعه فلز وجود نخواهد داشت و هر دو مانند فلزی واحد رفتار می‌کنند.

در واقع، جوش سرد نوعی جوشکاری واقعی در مقیاس اتمی است؛ تنها تفاوت آن با جوشکاری معمولی این است که برای ایجاد آن نیازی به حرارت یا ذوب‌شدن فلز وجود ندارد.

دلیل اصلی وجود اکسیژن است. تقریباً تمام فلزهایی که روی زمین قرار دارند، در همان لحظه‌ای که با هوا تماس پیدا می‌کنند، لایه‌ای بسیار نازک از اکسید روی سطحشان تشکیل می‌شود. این لایه ممکن است فقط چند اتم ضخامت داشته باشد، اما نقش بسیار مهمی ایفا می‌کند.

پوشش اکسیدی مانند عایق عمل می‌کند و اجازه نمی‌دهد اتم‌های آزاد سطح یک فلز مستقیماً با اتم‌های فلز دیگر تماس پیدا کنند. به بیان ساده، این لایه همان چیزی است که مانع می‌شود دو قطعه فلز روی زمین به هم جوش بخورند.

جولیا گریر، دانشمند علم مواد در مؤسسه فناوری کالیفرنیا، در گفتگو با لایوساینس توضیح می‌دهد: به محض تشکیل لایه اکسید، دیگر امکان جوش سرد از بین می‌رود، زیرا اکسیژن عملاً این پیوندهای فعال را غیرفعال می‌کند.

در فلزها، الکترون‌ها تا حدی آزادانه حرکت می‌کنند. همین ویژگی باعث می‌شود فلزها رسانای بسیار خوبی برای جریان برق باشند.

وقتی دو سطح فلزی کاملاً تمیز با یکدیگر تماس پیدا می‌کنند، الکترون‌های سطح دیگر نمی‌توانند تشخیص دهند که متعلق به کدام قطعه فلز هستند. بنابراین میان هر دو فلز مشترک می‌شوند.

سِوِن بیلن، استاد مهندسی هوافضا در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، توضیح می‌دهد که این اشتراک الکترون‌ها باعث می‌شود دو قطعه فلز عملاً یک شبکه بلوری مشترک تشکیل دهند؛ همان چیزی که به جوش سرد منجر می‌شود.

فضا تقریباً خلأ کامل است؛ یعنی اکسیژنی وجود ندارد تا لایه محافظ اکسیدی دوباره روی سطح فلز تشکیل شود. اما نبود اکسیژن تنها عامل نیست.

فضاپیماها دائماً در معرض تابش‌های شدید خورشیدی، ذرات باردار و پرتوهای کیهانی قرار دارند. این ذرات پرانرژی می‌توانند به تدریج سطح فلز را پاک‌سازی کنند و هرگونه آلودگی یا لایه اکسیدی باقی‌مانده را از بین ببرند. در نتیجه، اتم‌های تازه و بسیار واکنش‌پذیر روی سطح فلز نمایان می‌شوند؛ اتم‌هایی که آماده‌اند با نخستین سطح فلزی مجاور پیوند برقرار کنند. به گفته گریر، تقریباً همه شرایط موجود در فضا تشکیل جوش سرد را تسهیل می‌کنند.

اگر با چشم به صفحه‌ای فلزی نگاه کنید، کاملاً صاف به نظر می‌رسد؛ اما زیر میکروسکوپ داستان کاملاً متفاوت است. سطح فلزها پر از برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌های بسیار ریز است؛ چیزی شبیه رشته‌کوه‌هایی در مقیاس میکروسکوپی.

زکری کوردرو، مهندس هوافضا در مؤسسه فناوری ماساچوست توضیح می‌دهد هنگامی که دو قطعه فلز تحت فشار قرار می‌گیرند یا روی هم می‌لغزند و دچار لرزش می‌شوند، این برآمدگی‌های کوچک روی هم ساییده می‌شوند. این سایش می‌تواند لایه اکسیدی محافظ را از بین ببرد و نقاطی از فلز خالص را در تماس مستقیم با یکدیگر قرار دهد. در همین نقاط است که پیوندهای فلزی جدید شکل می‌گیرند و جوش سرد آغاز می‌شود.

در بسیاری از فضاپیماها، قطعات مکانیکی باید پس از رسیدن به مدار یا مقصد باز شوند یا حرکت کنند. برای مثال، صفحات خورشیدی، آنتن‌های بزرگ، درهای محافظ تجهیزات علمی یا بازوهای رباتیک همگی دارای قطعات متحرک هستند. اگر این قطعات به دلیل جوش سرد به هم بچسبند، ممکن است دیگر هرگز حرکت نکنند.

کوردرو می‌گوید اگر در سازه بازشونده‌ای جوش سرد رخ دهد، ممکن است کل سازوکار قفل شود یا دریچه‌ای هرگز باز نشود. نمونه ساده آن یک پیچ فلزی است که داخل یک در فلزی قرار گرفته باشد. اگر شرایط برای جوش سرد فراهم شود، پس از مدتی بازکردن آن پیچ تقریباً غیرممکن خواهد شد، زیرا پیچ عملاً بخشی از خود در شده است.

یکی از شناخته‌شده‌ترین نمونه‌های احتمالی جوش سرد به فضاپیمای گالیله ناسا مربوط می‌شود. این کاوشگر در سال ۱۹۸۹ برای مطالعه سیاره مشتری پرتاب شد و یک آنتن بزرگ با عملکرد بالا داشت که پس از پرتاب باید باز می‌شد. اما زمانی که مهندسان در سال ۱۹۹۱ فرمان باز شدن آنتن را صادر کردند، آنتن هرگز به طور کامل باز نشد.

یکی از توضیح‌های پذیرفته‌شده این است که لرزش‌های شدید هنگام پرتاب همراه با از بین رفتن روان‌کننده‌ها باعث شده لایه اکسیدی برخی قطعات از بین برود و بخش‌هایی از سازوکار دچار جوش سرد شوند. در نتیجه، آنتن در وضعیت نیمه‌باز گیر کرد و هرگز عملکرد کامل خود را به دست نیاورد.

برخی فلزها بیش از بقیه مستعد جوش سرد هستند. برای مثال، طلا و پلاتین تقریباً هیچ لایه اکسیدی پایداری روی سطح خود تشکیل نمی‌دهند؛ حتی روی زمین. به همین دلیل این فلزها بسیار راحت‌تر از سایر فلزها به یکدیگر می‌چسبند.

به گفته گریر، طلا یکی از بدنام‌ترین فلزها از نظر جوش سرد است. علاوه‌براین، چون فلزی نرم است، به‌راحتی شکل سطح مقابل را به خود می‌گیرد و تماس اتمی گسترده‌تری ایجاد می‌کند.

مهندسان صنعت فضایی برای جلوگیری از جوش سرد از چند راهکار استفاده می‌کنند. یکی از رایج‌ترین روش‌ها آنادایزینگ است. در این فرآیند، لایه اکسیدی مصنوعی و بسیار پایداری روی سطح فلز ایجاد می‌شود تا حتی در شرایط سخت نیز نقش محافظ را ایفا کند. راهکار دیگر استفاده از روان‌کننده‌های خشک مانند مولیبدن دی‌سولفید است. این مواد میان دو سطح فلزی قرار می‌گیرند و اجازه تماس مستقیم فلز با فلز را نمی‌دهند.

روش سوم، استفاده از فلزهای متفاوت در کنار یکدیگر است. وقتی دو فلز ساختار بلوری متفاوتی داشته باشند، اتم‌های آن‌ها به‌راحتی روی یکدیگر منطبق نمی‌شوند و تشکیل پیوند میان آن‌ها دشوارتر خواهد بود.

پیش از آنکه هر فضاپیما راهی مدار شود، قطعات آن بارها آزمایش می‌شوند. مهندسان تجهیزات را روی میزهای لرزان قرار می‌دهند تا لرزش‌های شدید هنگام پرتاب شبیه‌سازی شود. همچنین قطعات داخل محفظه‌های خلأ قرار می‌گیرند و بارها میان دماهای بسیار بالا و بسیار پایین جابه‌جا می‌شوند تا شرایط واقعی فضا بازسازی شود. هدف این آزمایش‌ها آن است که اگر قطعه‌ای مستعد جوش سرد باشد، پیش از پرتاب شناسایی و اصلاح شود.

با وجود تمام این اقدامات، جوش سرد همیشه قابل پیشگیری نیست. بیلن می‌گوید در آزمایشگاه خودش، پیچ‌های فلزی داخل محفظه خلأ پس از جابه‌جایی تجهیزات آن‌قدر محکم به هم جوش خوردند که دیگر باز نمی‌شدند و پژوهشگران ناچار شدند آن‌ها را سوراخ کنند و از نو بسازند.

این تجربه نشان می‌دهد جوش سرد پدیده‌ای منحصراً فضایی نیست؛ بلکه هر جا شرایطی مشابه خلأ و تماس مستقیم فلزهای تمیز فراهم شود، احتمال وقوع آن وجود دارد. اما از آنجا که فضا تقریباً تمام این شرایط را به‌طور طبیعی فراهم می‌کند، این پدیده در مأموریت‌های فضایی به یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های مهندسان تبدیل شده است.