Wie verschlechtert sich Stahl im translunaren Raum?
Um die Identität eines 1966 in der Nähe der Erde zurückkehrenden Centaur-Boosters von 1966 zu bestätigen, nahm die NASA einige spektroskopische Beobachtungen vor. Sie stimmten nicht mit denen aus demselben Metall (Edelstahl 301) auf der Erde überein, anscheinend aufgrund der 54 Jahre, die der Booster in "rauem" Raum verbracht hatte. Aber sie stimmten besser mit den Beobachtungen eines ähnlichen Boosters von 1971 überein, der in der Nähe der Erde blieb.
Wie / warum hat sich die spektrale Signatur des Stahls geändert? Etwas über Strahlung statt über chemische Reaktionen? Heiz- / Kühlzyklen? Ausgasung von Spuren von Kohlenstoff und Stickstoff?
Hat es sich wirklich so sehr verändert , dass es mit so etwas wie einem metallhaltigen Asteroiden verwechselt werden könnte? Hochchromstahl, egal welcher Art und in welchem Zustand, unterscheidet sich erheblich von dem üblichen Nickel-Eisen-Material, das wir dort draußen sehen.
(Nachtrag: Ist Edelstahl daher eine schlechte Wahl für Missionen, die länger als ein Jahrzehnt dauern?)
Antworten
Die Spektraldaten stammten von der Oberfläche des nur wenige Atome dicken Materials, das einem harten Vakuum ausgesetzt war. Der Sonnenwind hat Ionen aus vielen Materialien. Es ist hauptsächlich Wasserstoff, der als Ion nur ein Proton ist. Oder Wasserstoffatome. Entweder kann man reagieren. Der Sonnenwind ist nicht sehr energiereich, enthält jedoch geringe Mengen anderer Elemente wie Sauerstoff und Stickstoff sowie Alpha-Partikel, die in diesem Fall nur Heliumionen sind.
Wasserstoff ist so klein, dass er zwischen Eisen und Chrom sowie Nickel und Kohlenstoff von Edelstahl eindringen und Versprödung verursachen kann, die ihn unter anderem schwächt (weshalb Wasserstoffpipelines nicht üblich sind). Dinge, die die Eigenschaften eines Materials verändern, verändern sein Spektrum und können auch einen langfristigen Effekt des Sonnenwinds zeigen, der nicht mit Oberflächenreaktionen oder -sammlungen identisch ist.
Bei genügend Zeit sollte der Sonnenwind die Stahloberfläche anlaufen oder auf irgendeine Weise chemisch beeinflussen. Auch die extremen Heiz- und Kühlzyklen können die Stahlstruktur mit atomarer Migration verändern.
Licht interagiert nur in den ersten Atomschichten mit frischen Metalloberflächen. Was Metalle zu "Metallen" macht, ist die sehr hohe Elektronendichte, und wir können uns vorstellen, dass dieses Elektronen- "Plasma" eine so hohe Plasmafrequenz hat, dass das Licht kaum einen winzigen Bruchteil einer Wellenlänge durchdringt, bevor es von all diesen rückwärts zurückgestrahlt wird Elektronen schwingen zusammen mit dem einfallenden elektrischen Feld.
Siehe den Skin-Effekt von Wikipedia . In der folgenden Darstellung sehen wir, dass selbst bei einer Funkfrequenz von 1 MHz die Felder einer elektromagnetischen Welle in nur 10 Mikrometern um 1 / e gefallen sind, wenn sie auf eine glatte, polierte Oberfläche aus Edelstahl 304 fallen (wir können davon ausgehen, dass dies 301 ist ähnlich). Es fällt ab als$1/ \sqrt{f}$Bei rotem Licht von 600 nm oder 5E + 14 Hz würde diese Linie etwa 1 Angström erreichen. Wir können das nicht tun, weil wir mikroskopische Plasmadichteeffekte und andere Extras berücksichtigen müssen, aber es funktioniert ungefähr richtig. Wenn wir eine genauere Antwort wünschen, müssten wir den komplexen Brechungsindex nachschlagen $n + ik$ und dann den Dämpfungskoeffizienten berechnen.
- z.B https://refractiveindex.info/?shelf=3d&book=metals&page=iron
Aber ich schweife ab
weil die Oberfläche eines Raketenschiffs noch vor dem Start keine atomar glatte polierte Oberfläche ist. Selbst bei rostfreiem Stahl werden einige Verunreinigungen an der Oberfläche adsorbiert und einige der Verunreinigungen werden oxidiert. Diese "Ecken und Winkel" realistischer Oberflächen haben wellenlängenabhängige Streueffekte.
Wenn Sie es 50 Jahre lang in den Weltraum bringen, werden die Auswirkungen von Mikrometeoriten die Oberfläche und die von ultraviolettem Licht verändern, und der kontinuierliche Ansturm geladener Teilchen und Neutraler von der Sonne wird die Oberseite mehrere zehn Nanometer der Oberfläche so stark implantiert und modifiziert haben um die elektronische Struktur und die optische Reaktion ganz anders zu machen als Edelstahl, der auf der Erde verblieben ist.
Das operative Konzept hier
ist "die obersten einige zehn Nanometer", was so ziemlich alles ist, was der Sonnenwind bewirken wird.
Dies hat keinen Einfluss auf die strukturellen Eigenschaften von Edelstahl 304.
Wenn es ein Teleskopspiegel auf der Vorderseite oder sogar eine Schale für ein Submillimeter-Radioteleskop wäre, wäre es optisch wichtig , aber nicht strukturell.
Wikimedia-Datei Skin_depth_by_Zureks.png