Comment l'acier se détériore-t-il dans l'espace translunaire?
Pour confirmer l'identité d'un booster Centaur de 1966 revenant près de la Terre en 2020, la NASA a effectué des observations de spectroscopie. Ils ne correspondaient pas à ceux du même métal (acier inoxydable 301) sur terre, apparemment en raison des 54 années du booster dans un espace «dur». Mais ils ont fait plus étroitement correspondre les observations d'un rappel similaire de 1971 qui est resté près de la Terre.
Comment / pourquoi la signature spectrale de l'acier a-t-elle changé? Quelque chose sur les radiations plutôt que sur les réactions chimiques? Cycles de chauffage / refroidissement? Dégazage de traces de carbone et d'azote?
Cela a-t-il vraiment tellement changé qu'il pourrait être confondu avec quelque chose comme un astéroïde métallique? L'acier à haute teneur en chrome, quel que soit le type et dans quelque état que ce soit, est assez différent du nickel-fer habituel que nous voyons.
(Addendum: cela fait-il de l'acier inoxydable un mauvais choix pour les missions de plus d'une décennie environ?)
Réponses
Les données spectrales proviennent de la surface du matériau de seulement quelques atomes d'épaisseur qui est exposé à un vide poussé. Le vent solaire contient des ions de nombreux matériaux. C'est principalement de l'hydrogène, qui en tant qu'ion n'est qu'un proton. Ou des atomes d'hydrogène. L'un ou l'autre peut réagir. Le vent solaire n'est pas très énergétique mais il contient de petites quantités d'autres éléments comme l'oxygène et l'azote, ainsi que des particules alpha qui dans ce cas ne sont que des ions d'hélium.
L'hydrogène est si petit qu'il peut se glisser parmi le fer et le chrome, le nickel et le carbone de l'acier inoxydable et provoquer une fragilisation qui l'affaiblit, entre autres effets (c'est pourquoi les pipelines d'hydrogène ne sont pas courants). Les choses qui changent les propriétés d'un matériau changeront son spectre et peuvent également montrer un effet à long terme du vent solaire qui n'est pas le même que les réactions de surface ou les collectes.
Avec suffisamment de temps, le vent solaire devrait ternir ou affecter chimiquement la surface de l'acier. En outre, les cycles extrêmes de chauffage et de refroidissement pourraient également modifier la structure en acier avec la migration atomique.
La lumière interagit avec les surfaces métalliques fraîches uniquement dans les premières couches atomiques. Ce qui fait des métaux des "métaux", c'est la densité électronique très élevée, et nous pouvons penser à ce "plasma" d'électrons comme ayant une fréquence de plasma si élevée que la lumière pénètre à peine une infime fraction d'une longueur d'onde avant d'être ré-rayonnée par tous ceux-ci. électrons qui vibrent avec le champ électrique incident.
Voir l' effet Skin de Wikipedia . Dans le graphique ci-dessous, nous pouvons voir que même à une fréquence radio de 1 MHz, les champs d'une onde électromagnétique auront chuté de 1 / e en seulement 10 microns en cas d'incident sur une surface lisse et polie d'acier inoxydable 304 (nous pouvons supposer que 301 est similaire). Il tombe comme$1/ \sqrt{f}$donc pour une lumière rouge de 600 nm ou 5E + 14 Hz, cette ligne atteindrait environ 1 angström. Nous ne pouvons pas faire cela parce que nous devons prendre en compte les effets microscopiques de la densité du plasma et d'autres avantages, mais cela fonctionne à peu près correctement. Si nous voulions une réponse plus précise, nous devions rechercher l' indice de réfraction complexe $n + ik$ puis calculez le coefficient d'atténuation.
- par exemple https://refractiveindex.info/?shelf=3d&book=metals&page=iron
Mais je m'égare
parce que la surface d'une fusée n'est pas une surface polie atomiquement lisse même avant le lancement. Même pour l'acier inoxydable, certains contaminants seront adsorbés sur la surface et certaines des impuretés seront oxydées, ces «coins et recoins» de surfaces réalistes auront des effets de diffusion dépendant de la longueur d'onde.
Mettez-le dans l'espace lointain pendant 50 ans et les effets des micrométéorites modifieront la surface et celle de la lumière ultraviolette et l'assaut continu des particules chargées et neutres du Soleil aura tellement implanté et modifié le sommet de plusieurs dizaines de nanomètres de la surface. pour rendre la structure électronique et la réponse optique très différentes de l'acier inoxydable qui est resté sur Terre.
Le concept opérationnel ici
est "le sommet de plusieurs dizaines de nanomètres" qui est à peu près tout ce que le vent solaire va effectuer.
Cela n'a aucun effet sur les propriétés structurelles de l'acier inoxydable 304.
S'il s'agissait d'un miroir de télescope de surface avant ou même d'une parabole pour un radiotélescope submillimétrique, cela aurait une importance optique , mais pas structurellement.
Fichier de Wikimedia Skin_depth_by_Zureks.png