为什么伽利略的天线会无缘无故地融合在一起?地球上的金属在太空找不到归宿,真空。

基于各种不同,很多在地球上容易做的事情在太空中很费劲,而很多在地球上不容易做的事情在太空中却可以毫不费力地完成。

比如漂浮。如果在地球上不用工具,无论如何也不能“漂浮”,但在太空中,就得“系一根绳子”,防止飘得太远。

除了这个最简单的例子,还有一个很有趣的现象,就是两块同类型的金属板在空间中相互接触就会“熔”在一起。

在地球上将两块金属“连接”起来需要一点力气,为什么在太空中就可以轻松做到呢?这是什么原理?

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冷焊——太空中的噩梦

其实,两块金属在太空中接触并熔合的现象在科学上被称为“冷焊”。顾名思义,就是一种焊接方法。

太空冷焊现象并非空间站人体实验发现,而是由于一些意想不到的太空事故,是事故的“罪魁祸首”。

1989年10月,美国国家航空航天局(NASA)向天空发射了一艘名为“伽利略”的宇宙飞船,其目的是收集木星的数据。

由于地球与木星距离遥远,美国宇航局科学家为飞船设计了特殊的天线,使其能够顺利完成任务。

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图为:天线的“伞骨”共有18根,但常开的只有15根

这款“高增益天线”经过精心设计,以134kb的速度向地球传输信息。

经过一年半的航行,“伽利略号”于1991年4月抵达木星,却发生了意外,科学家无法打开天线。

经过上千次的调试检查,科学家们将问题归结为一个非常简单但致命的故障:天线的移动结构被“卡住”,无法移动。

最后,科学家们只好使用另一种低增益备用天线,其效率仅为“高增益天线”的0.01%。

这意味着它遗憾地失去了一次对木星进行大探索的机会,“高增益天线”无法展现其“高增益”。

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图为:伽利略全开天线合成图

为什么移动结构无缘无故“卡”在太空无法打开?经过一系列的实验验证,科学家们确定该金属是冷焊的。

冷焊现象给人类太空作业造成了极大困扰,造成的经济损失高达数十亿美元,而伽利略只是“受害者”之一。

冷焊的原理是什么?一起。

相比于传统的将两种金属加热熔化再焊接在一起的“热焊”,冷焊明显更干净,更整洁。

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那么它的原理是什么呢?为什么两种金属在真空中接触时会连接?

一个有趣的解释是,当两块相似的金属接触时,各自的原子会分不清哪一个是自己的“家”,就会开始来回乱窜,于是金属就会“连接的”。

这个解释是个笑话,但在一定程度上是正确的。冷焊现象确实是由于原子的运动。

我们知道,所有的金属都是由原子组成的,在非绝对零的条件下,所有的原子都具有动能。

也就是说,原子一直在运动,运动的方式不外乎三种:要么旋转,要么振动,要么在空间跳跃。

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图为:H+离子在超离子冰的O2-晶格中扩散

在大粒子体系(如固体)中,即使原子间以化学键连接,不同的温度也赋予它们不同动能。

一些原子运动非常缓慢,只是懒洋洋地与其他原子相互作用;对于“疯狂”。

第三种原子移动得如此之快,以至于它们可以通过将其他原子推开或占据额外的空位来从一个位置跳到另一个位置。

所以,每时每刻在每一个固体中,都会有一些原子在跳来跳去,这个过程也可以称为原子扩散。

当两种金属在真空中接触时,每种金属中最活跃的原子可能会扩散到另一种金属的晶格点,从而在两种金属之间产生吸引力。

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图为:地球上的金属都有氧化膜

地球上为什么不能冷焊

上面我们说了一般的冷焊条件是在真空中,而冷焊不可能发生在地球上的原因自然是因为地球上有空气。

那为什么不能在非真空环境下进行冷焊呢?原因其实很简单,因为氧化膜阻挡了金属原子的扩散。

金属暴露在空气中会与氧气发生反应,形成氧化膜。与苹果氧化后会变色不同,金属的氧化膜有时并不明显。

氧化膜可以阻挡原子的扩散,但不能完全阻挡。只要两个金属表面比较光滑,它们仍然可以进行冷焊,但可能需要很长时间。

当然,你也可以通过加热和加压来缩短这个过程。加压使它们彼此靠近,加热使原子运行得更快。

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因此,冷焊在地球上也是可以实现的,一是创造真空环境实现快速冷焊,二是在自然条件下缓慢“冷焊”。

最后,

冷焊的本质其实就是原子的扩散。原子扩散的条件并不苛刻,在地球上也能发生,但最理想的条件是在真空中。

恰好这种理想状态是人类可以达到的,但有些理想的物理状态是很难达到的,比如完全光滑。