Как разрушается сталь в транслунном пространстве?
Чтобы подтвердить идентичность ракеты-носителя Centaur 1966 года, вернувшейся к Земле в 2020 году, НАСА провело некоторые спектроскопические наблюдения. Они не соответствовали тем из того же металла (нержавеющая сталь 301) на Земле, очевидно, из-за 54-летнего пребывания ракеты-носителя в «суровом» космосе. Но они более точно соответствовали наблюдениям аналогичной ракеты-носителя 1971 года, которая оставалась около Земли.
Как / почему изменилась спектральная подпись стали? Что-то о радиации, а не о химических реакциях? Циклы нагрева / охлаждения? Выделение следов углерода и азота?
Неужели он действительно так сильно изменился, что его можно было спутать с чем-то вроде металлического астероида? Высокохромистая сталь любого типа и в каком бы то ни было состоянии сильно отличается от обычного никель-железного материала, который мы видим там.
(Приложение: делает ли нержавеющая сталь плохим выбором для миссий продолжительностью более десяти лет?)
Ответы
Спектральные данные были получены с поверхности материала толщиной всего в несколько атомов, подвергнутой воздействию жесткого вакуума. В солнечном ветре есть ионы многих материалов. В основном это водород, который в качестве иона представляет собой просто протон. Или атомы водорода. Любой из них может отреагировать. Солнечный ветер не очень энергичен, но он содержит небольшое количество других элементов, таких как кислород и азот, а также альфа-частицы, которые в данном случае являются просто ионами гелия.
Водород настолько мал, что он может проскользнуть между железом, хромом, никелем и углеродом нержавеющей стали и вызвать охрупчивание, которое ослабляет его, среди других эффектов (вот почему водородные трубопроводы не распространены). Вещи, которые изменяют свойства материала, изменяют его спектр, а также могут проявлять долгосрочное воздействие солнечного ветра, которое отличается от поверхностных реакций или скоплений.
Через некоторое время солнечный ветер должен потускнеть или каким-то образом химически повлиять на поверхность стали. Кроме того, экстремальные циклы нагрева и охлаждения могут также изменить структуру стали с миграцией атомов.
Свет взаимодействует со свежими металлическими поверхностями только в первых нескольких атомных слоях. Что делает металлы «металлами», так это очень высокая плотность электронов, и мы можем думать об этой электронной «плазме» как об имеющей такую высокую плазменную частоту, что свет едва проникает крошечную долю длины волны, прежде чем повторно излучается в обратном направлении всеми этими электроны колеблются вместе с падающим электрическим полем.
См. Эффект кожи в Википедии . На графике ниже мы можем видеть, что даже на радиочастоте 1 МГц поля электромагнитной волны упадут на 1 / е всего за 10 микрон при падении на гладкую полированную поверхность из нержавеющей стали 304 (мы можем предположить, что 301 будет аналогичный). Он падает как$1/ \sqrt{f}$так что для красного света 600 нм или 5E + 14 Гц эта линия будет достигать примерно 1 Ангстрема. Мы не можем этого сделать, потому что мы должны учитывать микроскопические эффекты плотности плазмы и другие полезности, но это работает примерно правильно. Если бы мы хотели получить более точный ответ, нам пришлось бы искать комплексный показатель преломления $n + ik$ а затем рассчитать коэффициент затухания.
- например https://refractiveindex.info/?shelf=3d&book=metals&page=iron
Но я отвлекся
потому что поверхность ракетного корабля не является атомарно гладкой полированной поверхностью даже до запуска. Даже для нержавеющей стали некоторые загрязнители будут адсорбированы на поверхности, а некоторые примеси будут окисляться, эти «укромные уголки» реалистичных поверхностей будут иметь эффекты рассеяния, зависящие от длины волны.
Поместите его в глубокий космос на 50 лет, и воздействие микрометеоритов изменит поверхность, а ультрафиолетовое излучение и непрерывный натиск заряженных частиц и нейтралов от Солнца имплантировали и изменили верхние слои поверхности на несколько десятков нанометров. чтобы сделать электронную структуру и оптический отклик очень отличными от нержавеющей стали, оставшейся на Земле.
Действующая концепция здесь
это «верхние несколько десятков нанометров», и это почти все, на что влияет солнечный ветер.
Это не влияет на структурные свойства нержавеющей стали 304.
Если бы это было зеркало передней поверхности телескопа или даже тарелка для субмиллиметрового радиотелескопа, это было бы оптически , но не структурно.
Файл Викимедиа Skin_depth_by_Zureks.png