國際空間站生鏽了!太空沒有空氣,為什麼連不鏽鋼都會鏽?

老粥科普 發佈 2022-10-20T23:04:51.338608+00:00

鐵會生鏽,這是常識。因為鐵暴露在空氣中,空氣里有約21%是氧氣,氧會與鐵發生化學反應生成紅色的氧化鐵,也就是我們俗稱的鐵鏽。如果空氣里有水氣,鐵會更快鏽蝕;而要想讓鐵不生鏽,就得想方設法不讓它接觸到氧氣——比如塗上一層防鏽漆。

鐵會生鏽,這是常識。因為鐵暴露在空氣中,空氣里有約21%是氧氣,氧會與鐵發生化學反應生成紅色的氧化鐵,也就是我們俗稱的鐵鏽。如果空氣里有水氣,鐵會更快鏽蝕;而要想讓鐵不生鏽,就得想方設法不讓它接觸到氧氣——比如塗上一層防鏽漆。

有朋友問:空間站在太空飛行,這裡既沒有氧氣也沒有水,如果我們把鐵塊放在空間站外邊,是不是就永遠不會生鏽呢?

正確答案是:鐵還是會生鏽的,並且鏽得很快。

與中國空間站航天員出艙不同,國際空間站太空人出艙時,他們還要向外推開一個艙蓋。這時候你會看到這個艙蓋邊緣有一些深色的污跡,與白色蓋布形成鮮明的對比。

如果我們把圖像放大,再仔細觀察這些深色污跡,就會發現它其實是鐵鏽。

國際空間站聯合氣閘艙的這個艙蓋主要用來保護太空人出艙口,避免遭到微流星和其它微小空間碎片撞擊。它沒有密封性能,只在周邊裝了幾塊磁鐵,平時磁鐵吸住出艙口的鐵圈,太空人出艙時先打開內部的密封艙蓋,然後將這個保護蓋向外一推就可以了。

空間站外殼大多採用鋁合金製造,鋁很輕並且抗腐蝕性比較好。由於考慮到聯合氣閘艙出艙口要用磁性蓋板,所以這個位置裝了個不鏽鋼環——正是這個不鏽鋼環在太空中發生了鏽蝕,並且被艙蓋記錄了下來。

你可能會問,太空中不是真空嗎?沒有空氣,為什麼連不鏽鋼都還會生鏽?

國際空間站和中國天宮空間站都在距離地面約400公里高度的太空飛行,許多時候我們稱這裡為太空,認為太空就是真空,是沒有空氣的地方。實際上,在空間站周圍依然存在著不少空氣。

學過地理的朋友應該還記得地球大氣是分層的:從地面到12公里高度是對流層,再往上是平流層、中間層、熱層,最外邊是外逸層。熱層的高度在80公里到約700公里範圍,空間站和大多數衛星都處在這個高度範圍內。

儘管我們把距離地面100公里高度的地方稱為「大氣層邊界」(卡門線),出了這個邊界就進入了太空,實際上這個「太空」里也有空氣,並且有不少空氣。

正常情況下,國際空間站在軌道上運行,每個月要往下「掉」2公里,這是因為空間站每時每刻都受到空氣阻力影響。為了保持住軌道高度,國際空間站需要不時開啟發動機進行「升軌」,為此每年要消耗7.5噸燃料,花費2.1億美元(約15億人民幣)!

歐洲航天局經過計算,認為在距離地面400公里的空間,每立方厘米約有3.8 × 10^(-12)千克空氣,這大約相當於一個小手指頭的空間裡有數百萬個原子,其中約90%是氧原子。

古人常說「高處不勝寒」,但在400公里高空的大氣層卻被科學家稱為「熱層」,這是為什麼呢?

地球的大氣層阻擋了絕大多數有害的太陽輻射和高能宇宙射線,但在80公里以上的大氣層,由於空氣稀薄,強烈的紫外線輻射會把空氣粒子加熱到2500°C,並將分子光解成原子。

在空間站的周圍,每立方厘米的氧原子超過百萬個,並且由於空間站以每秒7.6公里的速度飛行,所以氧原子也以同樣的速度撞擊空間站表面。

與普通氧氣不同,原子氧更活潑,它會氧化所碰到的金屬,包括裸露的不鏽鋼。

太空中的原子氧與太空飛行器材料發生氧化反應被稱為「空間腐蝕」,早期的太空飛行器深受空間腐蝕的困擾,高精密軸承經常被卡住。後來科學家在活動部件表面鍍上一層薄薄的金,並且加以潤滑,金不會被氧化,從而使下面的鐵受到保護。

鋁也容易被氧化,但鋁氧化後會在表面形成堅硬的氧化鋁膜,因此問題並不是很嚴重。我們很少在太空飛行器表面看到塑料,一個重要原因是它對原子氧和電離輻射很敏感,需要特殊的塗料加以保護,所以儘管塑料重量輕價格便宜,但一般不用它。

總結:

空間站外表面很少使用鐵構件,因為鋼鐵在太空容易生鏽。受太陽輻射影響,地球外層大氣里有大量原子氧,原子氧生性活潑,很容易腐蝕金屬,因此太空飛行器表面防腐蝕是一項重要的工作。


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