Будет ли неокрашенное железо или сталь ржаветь в космосе?

«Ржавление» или, более правильно с химической точки зрения, «окисление» — это реакция с кислородом в атмосфере. Железо вступает в реакцию с кислородом и превращается в оксид железа, красновато-коричневое вещество, обычно называемое «ржавчиной».

В космосе нет атмосферы с кислородом, с которым можно было бы реагировать, поэтому любое железо в космосе не ржавеет.

Это, однако, предполагает, что в космосе действительно нет кислорода. Когда космический корабль находится на низкой орбите вокруг Земли, все еще остаются небольшие следы атмосферы, через которую он пролетает. Эти маленькие следы могли прилипнуть к любому железу и вызвать его ржавчину, хотя и намного медленнее, чем на уровне земли. Еще одним источником кислорода являются любые ракетные двигатели. Большинство ракетных двигателей работают на жидком топливе и жидком кислороде. Утечка последнего может вызвать коррозию любого железа, которое подвергается его воздействию.

Между прочим: отсутствие окисления в вакууме также имеет еще один интересный эффект, который может быть как благословением, так и проклятием для космического строительства: он позволяет выполнять холодную сварку . Чистые неокисленные металлы обладают интересным свойством: когда они соприкасаются, они слипаются и образуют единое целое. Это означает, что вы можете разбить кусок металла на две части, снова соединить части, и они сплавятся без следа. Этот эффект трудно воспроизвести на Земле, потому что в тот момент, когда вы ломаете кусок металла, открытая область вступает в контакт с кислородом, и сразу же образуется наноразмерный коррозионный слой, который предотвращает холодную сварку. Но он работает в искусственной чисто вакуумной среде.

Для космического строительства это может быть благом, поскольку значительно упрощает сборку больших конструкций. Просто сдвиньте две балки вместе, и они сольются в момент соприкосновения. Не требуется сварка, винты или болты. Но это также может быть проклятием, потому что легко может произойти случайная сварка. Любые поверхности, которые предназначены для соприкосновения и повторного разделения (например, механические шестерни или соединения), должны быть покрыты, чтобы избежать случайной холодной сварки. Однако кратковременного воздействия кислородной атмосферы на такие детали может быть достаточно.

Железо / сталь на низкой околоземной орбите, скорее всего, в конечном итоге заржавеет из-за присутствия высокореактивного атомарного кислорода. У меня нет данных конкретно по стали (большинство выпускаемой стали из нержавеющей стали), но атомарный кислород действительно вызывает эрозию углеводородных полимеров, силиконовых полимеров, алюминия и серебра. Я хотел бы обратить ваше внимание на эту статью , в которой показаны микрофотографии поверхностей, подвергшихся АО.

Резюме

Атомарный кислород образуется в среде с низкой околоземной орбитой (НОО) в результате фотодиссоциации двухатомного кислорода под действием коротковолнового (< 243 нм) солнечного излучения, которое имеет достаточную энергию для разрыва двухатомной связи O2 с энергией 5,12 эВ в среде, где длина свободного пробега составляет достаточно длинный (~108 метров), что вероятность реассоциации или образования озона (О3) мала. Как следствие, на высотах от 180 до 650 км атомарный кислород является наиболее распространенным видом. Космические аппараты воздействуют на атомарный кислород, находящийся на НОО, с достаточной энергией, чтобы разорвать углеводородные полимерные связи, вызывая окисление и истончение полимеров из-за потери летучих продуктов окисления. Методы смягчения последствий, такие как разработка материалов с повышенной устойчивостью к атаке атомарным кислородом, а также защитных покрытий атомарным кислородом, использовались с разной степенью успеха для повышения долговечности полимеров в среде НОО. Атомарный кислород также может окислять силиконы и силиконовые загрязнения с образованием нелетучих отложений кремнезема. Такие загрязнения присутствуют в большинстве миссий LEO и могут представлять угрозу для работы оптических поверхностей. Представлены атомарно-кислородная среда НОО, ее взаимодействие с материалами, результаты космических испытаний, компьютерное моделирование, методы смягчения последствий, а также процедуры и проблемы моделирования в наземной лаборатории.

Иллюстрация

Вы можете увидеть это очень четко на этой картинке, как обсуждалось здесь :

   ^{Рик Мастраккио в роли EV1 (красные полосы) и Майк Хопкинс в роли EV2 (без полос) выходят из шлюза во время выхода в открытый космос США-24 (Источник: НАСА)}

Это может быть проблемой, если он находится где-то рядом с каким-то окислителем, скажем, внутри и имеет контакт с атмосферным кислородом, окислителем топлива, из-за того, что ваше собственное топливо просачивается вперед на вашем пути, замерзая на раме и медленно выделяя газ из-за отсутствия давления. (запекание под воздействием солнца), брызги на раму от горючих смесей с высоким содержанием окислителя или ионосферного атомарного кислорода ( см., например, здесь ).

Но если необходимый кислород уже не присутствует в окружающей среде, или вы каким-то образом добавили его туда (невольно или нет), никакого окисления не было бы, а значит и ржавчины. А при наличии нескольких протонных частиц вещества на кубический сантиметр в космическом пространстве и всего около 0,05% этих атомов кислорода потребуется очень много времени для образования любой ржавчины. Следует добавить, что, хотя ваш вопрос явно касается железа, с некоторыми другими металлами, такими как алюминий, окисленный слой толщиной в несколько атомов может быть даже преднамеренным и может защитить материал от дальнейшего распада.