空间站居然会生锈,而且还特别厉害!
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铁会生锈,这是常识。因为铁暴露在空气中,空气里有约21%是氧气,氧会与铁发生化学反应生成红色的氧化铁,也就是我们俗称的铁锈。如果空气里有水气,铁会更快锈蚀;而要想让铁不生锈,就得想方设法不让它接触到氧气——比如涂上一层防锈漆。
铁锈很常见
有朋友问:空间站在太空飞行,这里既没有氧气也没有水,如果我们把铁块放在空间站外边,是不是就永远不会生锈呢?
正确答案是:铁还是会生锈的,并且锈得很快。
与中国空间站航天员出舱不同,国际空间站宇航员出舱时,他们还要向外推开一个舱盖。这时候你会看到这个舱盖边缘有一些深色的污迹,与白色盖布形成鲜明的对比。
美国宇航员出舱时的照片
如果我们把图像放大,再仔细观察这些深色污迹,就会发现它其实是铁锈。
舱盖边缘锈迹斑斑
国际空间站联合气闸舱的这个舱盖主要用来保护宇航员出舱口,避免遭到微流星和其它微小空间碎片撞击。它没有密封性能,只在周边装了几块磁铁,平时磁铁吸住出舱口的铁圈,宇航员出舱时先打开内部的密封舱盖,然后将这个保护盖向外一推就可以了。
空间站外壳大多采用铝合金制造,铝很轻并且抗腐蚀性比较好。由于考虑到联合气闸舱出舱口要用磁性盖板,所以这个位置装了个不锈钢环——正是这个不锈钢环在太空中发生了锈蚀,并且被舱盖记录了下来。
你可能会问,太空中不是真空吗?没有空气,为什么连不锈钢都还会生锈?
国际空间站在大气层上方飞行
国际空间站和中国天宫空间站都在距离地面约400公里高度的太空飞行,许多时候我们称这里为太空,认为太空就是真空,是没有空气的地方。实际上,在空间站周围依然存在着不少空气。
学过地理的朋友应该还记得地球大气是分层的:从地面到12公里高度是对流层,再往上是平流层、中间层、热层,最外边是外逸层。热层的高度在80公里到约700公里范围,空间站和大多数卫星都处在这个高度范围内。
国际空间站轨道距地面400公里
尽管我们把距离地面100公里高度的地方称为“大气层边界”(卡门线),出了这个边界就进入了太空,实际上这个“太空”里也有空气,并且有不少空气。
正常情况下,国际空间站在轨道上运行,每个月要往下“掉”2公里,这是因为空间站每时每刻都受到空气阻力影响。为了保持住轨道高度,国际空间站需要不时开启发动机进行“升轨”,为此每年要消耗7.5吨燃料,花费2.1亿美元(约15亿人民币)!
欧洲航天局经过计算,认为在距离地面400公里的空间,每立方厘米约有3.8 × 10^(-12)千克空气,这大约相当于一个小手指头的空间里有数百万个原子,其中约90%是氧原子。
国际空间站
古人常说“高处不胜寒”,但在400公里高空的大气层却被科学家称为“热层”,这是为什么呢?
地球的大气层阻挡了绝大多数有害的太阳辐射和高能宇宙射线,但在80公里以上的大气层,由于空气稀薄,强烈的紫外线辐射会把空气粒子加热到2500°C,并将分子光解成原子。
在空间站的周围,每立方厘米的氧原子超过百万个,并且由于空间站以每秒7.6公里的速度飞行,所以氧原子也以同样的速度撞击空间站表面。
与普通氧气不同,原子氧更活泼,它会氧化所碰到的金属,包括裸露的不锈钢。
原子氧从缝隙钻入使铁氧化
太空中的原子氧与航天器材料发生氧化反应被称为“空间腐蚀”,早期的航天器深受空间腐蚀的困扰,高精密轴承经常被卡住。后来科学家在活动部件表面镀上一层薄薄的金,并且加以润滑,金不会被氧化,从而使下面的铁受到保护。
铝也容易被氧化,但铝氧化后会在表面形成坚硬的氧化铝膜,因此问题并不是很严重。我们很少在航天器表面看到塑料,一个重要原因是它对原子氧和电离辐射很敏感,需要特殊的涂料加以保护,所以尽管塑料重量轻价格便宜,但一般不用它。
总结:
空间站外表面很少使用铁构件,因为钢铁在太空容易生锈。受太阳辐射影响,地球外层大气里有大量原子氧,原子氧生性活泼,很容易腐蚀金属,因此航天器表面防腐蚀是一项重要的工作。