¿Cómo se deteriora el acero en el espacio translunar?
Para confirmar la identidad de un propulsor Centaur de 1966 que regresa cerca de la Tierra en 2020, la NASA tomó algunas observaciones espectroscópicas. No coincidían con los del mismo metal (acero inoxidable 301) en la tierra, aparentemente debido a los 54 años del propulsor en un espacio "duro". Pero coincidieron más estrechamente con las observaciones de un impulsor similar de 1971 que se mantuvo cerca de la Tierra.
¿Cómo / por qué cambió la firma espectral del acero? ¿Algo sobre la radiación en lugar de las reacciones químicas? Ciclos de calentamiento / enfriamiento? ¿Desgasificación de trazas de carbono y nitrógeno?
¿Realmente cambió tanto que podría confundirse con algo así como un asteroide con metal? El acero con alto contenido de cromo, de cualquier tipo y en cualquier condición, es bastante diferente del material habitual de níquel-hierro que vemos por ahí.
(Anexo: ¿esto hace que el acero inoxidable sea una mala elección para misiones de más de una década?)
Respuestas
Los datos espectrales provienen de la superficie del material de solo unos pocos átomos de espesor que está expuesto a un fuerte vacío. El viento solar tiene iones de muchos materiales. Es principalmente hidrógeno, que como ion es solo un protón. O átomos de hidrógeno. Cualquiera puede reaccionar. El viento solar no es muy energético pero contiene pequeñas cantidades de otros elementos como oxígeno y nitrógeno, además de partículas alfa que en este caso son solo iones de helio.
El hidrógeno es tan pequeño que puede colarse entre el hierro y el cromo y el níquel y el carbono del acero inoxidable y provocar una fragilización que lo debilite, entre otros efectos (razón por la cual las tuberías de hidrógeno no son comunes). Las cosas que cambian las propiedades de un material cambiarán su espectro y también pueden mostrar un efecto a largo plazo del viento solar que no es lo mismo que las reacciones o colecciones de la superficie.
Con el tiempo suficiente, el viento solar debería empañar o de alguna manera afectar químicamente la superficie del acero. Además, los ciclos extremos de calentamiento y enfriamiento también podrían cambiar la estructura de acero con la migración atómica.
La luz interactúa con superficies metálicas frescas solo en las primeras capas atómicas. Lo que hace que los metales sean "metales" es la densidad de electrones muy alta, y podemos pensar que ese "plasma" de electrones tiene una frecuencia de plasma tan alta que la luz apenas penetra una pequeña fracción de longitud de onda antes de ser re-radiada hacia atrás por todos esos electrones vibrando junto con el campo eléctrico incidente.
Consulte el efecto Piel de Wikipedia . En la siguiente gráfica, podemos ver que incluso a una frecuencia de radio de 1 MHz, los campos de una onda electromagnética habrán caído 1 / e en solo 10 micrones cuando incidan sobre una superficie lisa y pulida de acero inoxidable 304 (podemos asumir que 301 es similar). Cae como$1/ \sqrt{f}$así que para luz roja de 600 nm o 5E + 14 Hz esa línea alcanzaría aproximadamente 1 Angstrom. No podemos hacer eso porque tenemos que tener en cuenta los efectos microscópicos de la densidad del plasma y otros beneficios, pero funciona bien. Si quisiéramos una respuesta más precisa, tendríamos que buscar el complejo índice de refracción $n + ik$ y luego calcule el coeficiente de atenuación.
- p.ej https://refractiveindex.info/?shelf=3d&book=metals&page=iron
Pero yo divago
porque la superficie de un cohete no es una superficie pulida atómicamente lisa incluso antes del lanzamiento. Incluso para el acero inoxidable se adsorberán algunos contaminantes en la superficie y algunas de las impurezas se oxidarán, esos "rincones y grietas" de superficies realistas tendrán efectos de dispersión dependientes de la longitud de onda.
Ponlo en el espacio profundo durante 50 años y los efectos de los micrometeoritos modificarán la superficie y la de la luz ultravioleta y el continuo ataque de partículas cargadas y neutrales del Sol habrá implantado y modificado la parte superior varias decenas de nanómetros de la superficie tanto. como para hacer que la estructura electrónica y la respuesta óptica sean muy diferentes al acero inoxidable que queda en la Tierra.
El concepto operativo aquí
es "las decenas de nanómetros superiores", que es prácticamente todo lo que afectará el viento solar.
Esto no tiene ningún efecto sobre las propiedades estructurales del acero inoxidable 304.
Si fuera un espejo de telescopio de superficie frontal o incluso un plato para un radiotelescopio submilimétrico, importaría ópticamente , pero no estructuralmente.
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