W jaki sposób stal psuje się w przestrzeni półksiężycowej?
Aby potwierdzić tożsamość wzmacniacza Centaur z 1966 roku, który powrócił blisko Ziemi w 2020 roku, NASA przeprowadziła kilka obserwacji spektroskopowych. Nie pasowały do tych z tego samego metalu (stal nierdzewna 301) na Ziemi, najwyraźniej z powodu 54 lat pracy wzmacniacza w „trudnej” przestrzeni. Ale lepiej dopasowali obserwacje podobnego wzmacniacza z 1971 roku, który pozostał blisko Ziemi.
Jak / dlaczego zmieniła się sygnatura widmowa stali? Coś bardziej związanego z promieniowaniem niż reakcjami chemicznymi? Cykle ogrzewania / chłodzenia? Odgazowanie śladowych ilości węgla i azotu?
Czy naprawdę zmienił się tak bardzo , że można go pomylić z czymś w rodzaju asteroidy z metalowym nośnikiem? Stal wysokochromowa, dowolnego rodzaju i w jakimkolwiek stanie, znacznie różni się od zwykłej stali niklowo-żelaznej, którą tam spotykamy.
(Dodatek: czy to sprawia, że stal nierdzewna jest złym wyborem na misje dłuższe niż dekadę?)
Odpowiedzi
Dane widmowe pochodzą z powierzchni materiału o grubości zaledwie kilku atomów, który jest wystawiony na działanie silnej próżni. Wiatr słoneczny zawiera jony wielu materiałów. Jest to głównie wodór, który jako jon jest tylko protonem. Albo atomy wodoru. Każdy może zareagować. Wiatr słoneczny jest mało energetyczny, ale zawiera niewielkie ilości innych pierwiastków, takich jak tlen i azot, a także cząsteczki alfa, które w tym przypadku są po prostu jonami helu.
Wodór jest tak mały, że może wślizgnąć się między żelazo i chrom, nikiel i węgiel stali nierdzewnej, powodując między innymi kruchość, która go osłabia (dlatego rurociągi wodoru nie są powszechne). Rzeczy, które zmieniają właściwości materiału, zmienią jego widmo, a także mogą wykazywać długoterminowy wpływ wiatru słonecznego, który nie jest tym samym, co reakcje powierzchniowe lub kolekcje.
Biorąc pod uwagę wystarczająco dużo czasu, wiatr słoneczny powinien matowieć lub w jakiś sposób wpływać chemicznie na powierzchnię stali. Ponadto ekstremalne cykle ogrzewania i chłodzenia mogą również zmienić strukturę stali w wyniku migracji atomów.
Światło oddziałuje ze świeżymi metalowymi powierzchniami tylko w kilku pierwszych warstwach atomów. To, co czyni metale „metalami”, to bardzo wysoka gęstość elektronów i możemy myśleć o tej „plazmie” elektronowej jako o tak wysokiej częstotliwości plazmy, że światło ledwo przenika przez niewielki ułamek długości fali, zanim zostanie ponownie wypromieniowane do tyłu przez wszystkie elektrony wibrujące wraz z padającym polem elektrycznym.
Zobacz efekt skóry w Wikipedii . Na poniższym wykresie widzimy, że nawet przy częstotliwości radiowej 1 MHz pola fal elektromagnetycznych spadną o 1 / e w zaledwie 10 mikronów, gdy padną na gładką, wypolerowaną powierzchnię ze stali nierdzewnej 304 (możemy założyć, że 301 to podobny). Opada jako$1/ \sqrt{f}$więc dla światła czerwonego o długości 600 nm lub 5E + 14 Hz linia ta osiągnie około 1 Angstremu. Nie możemy tego zrobić, ponieważ musimy wziąć pod uwagę mikroskopijne efekty gęstości plazmy i inne dobrodziejstwa, ale to działa dobrze. Gdybyśmy chcieli dokładniejszej odpowiedzi, musielibyśmy sprawdzić złożony współczynnik załamania światła $n + ik$ a następnie obliczyć współczynnik tłumienia.
- na przykład https://refractiveindex.info/?shelf=3d&book=metals&page=iron
Ale błądzę
ponieważ powierzchnia statku rakietowego nie jest wypolerowaną powierzchnią atomowo gładką nawet przed startem. Nawet w przypadku stali nierdzewnej niektóre zanieczyszczenia zostaną zaadsorbowane na powierzchni, a niektóre z nich zostaną utlenione. Te „zakamarki” realistycznych powierzchni będą miały zależne od długości fali efekty rozpraszania.
Umieść go w kosmosie na 50 lat, a działanie mikrometeorytów zmodyfikuje powierzchnię, a światło ultrafioletowe, a ciągły atak naładowanych cząstek i substancji neutralnych ze Słońca wszczepi i zmodyfikuje górną część powierzchni tak bardzo o kilkadziesiąt nanometrów aby struktura elektronowa i odpowiedź optyczna były zupełnie inne niż stal nierdzewna, która pozostała na Ziemi.
Koncepcja operacyjna tutaj
to „górne kilkadziesiąt nanometrów”, czyli prawie wszystko, na co wpłynie wiatr słoneczny.
Nie ma to wpływu na właściwości konstrukcyjne stali nierdzewnej 304.
Gdyby to było zwierciadło teleskopu na powierzchni czołowej, a nawet talerz dla radioteleskopu poniżej milimetra, miałoby to znaczenie optyczne , ale nie strukturalne.
Plik Wikimedia Skin_depth_by_Zureks.png