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Saldature nello spazio

Saldature nello spazio

Elia Magrinelli

Novembre 14th, 2016

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Sulla Terra, quando vogliamo fondere assieme due pezzi di metallo dobbiamo riscaldarli oltre il loro punto di fusione. Tuttavia questa regola non si applica nello spazio, una lezione che abbiamo scoperto sul campo. Il 3 Giugno del 1965, l’astronauta Ed White ha svolto la prima passeggiata nello spazio per gli USA, a bordo del Gemini IV. Legato da un lungo cavo placcato oro si è spinto al di fuori della capsula tramite una pistola in grado di sparare ossigeno pressurizzato. Si è divertito talmente tanto nel farlo che il controllo di volo ha dovuto letteralmente richiamarlo all’interno della capsula. Rientrando nel veicolo Ed White commentò che quello era per lui il momento più triste della sua vita, ma ancora non sapeva quello che stava per succedere. Questo video di Veritasium racconta che cosa veramente accadde in questa missione ed il fenomeno noto come saldatura a freddo.

All’interno della capsula l’equipaggio del Gemini IV dovette affrontare un problema: il portello non si chiudeva. Non vi furono ulteriori comunicazioni da Gemini IV per circa un’ora, l’equipaggio era estremamente impegnato a risolvere il problema e preferiva ritardare le comunicazioni. Quando poi la capsula passò oltre l’Africa non si trovarono più alla distanza corretta per comunicare con il controllo di volo. Dopo molta fatica riuscirono a chiudere il portello a forza e tutto andò per il meglio. Nel piano originale della missione, Gemini IV avrebbe dovuto effettuare un’altra depressurizzazione, durante la quale avrebbero dovuto aprire nuovamente il portello e gettare al di fuori una serie di attrezzature ingombranti che servivano solamente per la passeggiata nello spazio. Il pilota, James McDivitt, comunicò che in nessun altra circostanza avrebbero nuovamente aperto il portello. Il controllo di volo pensò che gli astronauti volevano così riuscire a tenere le tute e le pistole ad aria come ricordi.

Infine, gli astronauti sono riusciti a rientrare salvi sulla Terra, portando con loro l’equipaggiamento extra che ha dovuto essere pressato negli alloggi dei piedi della loro capsula affollata. Cosa provocò il blocco del portello? Gli ingegneri della NASA all’epoca indicarono come causa del problema la saldatura a freddo: se nello spazio due metalli vengono a contatto tra di loro è possibile che questi si fondano assieme senza che vi sia il calore a provocare la saldatura.

Questo fenomeno è dovuto alla struttura intrinseca dei metalli, che per alcuni aspetti è paragonabile a quella di una croccante: vi sono una serie di ioni a carica positiva, come le noccioline del croccante, immersi in un mare di contiene una serie di elettroni, il caramello. Sulla Terra, la superficie dei metalli reagisce con l’ossigeno nell’atmosfera, creando uno strato protettivo ossidato, come un rivestimento di cioccolato sul croccante. Questo strato ossidato impedisce a due pezzi di metalli di unirsi assieme. Nello spazio questo strato ossidato può venire rimosso, ad esempio con lo scorrimento e l’attrito di due pezzi di metallo gli uni con gli altri, cosa che avviene nelle cerniere di un portello. Privi del loro strato protettivo i due pezzi di metallo possono saldarsi assieme con molta poca forza d’impatto, così che gli elettroni da un pezzo di metallo possono scorrere nell’altro. Come disse Richard Feinmann, i singoli atomi non hanno modo di sapere che provengono da pezzi di metallo diversi.

Questo fenomeno ha ovviamente delle implicazioni enormi per la costruzione ed il mantenimento di stazioni spaziali come la Stazione Spaziale Internazionale(SSI). Perché, tuttavia, non sentiamo più spesso di problemi dovuti a questi fenomeni? l’SSI a questo punto potrebbe essere già diventata un ammasso di pezzi saldati tra di loro. Il fatto è che la saldatura a freddo non è un problema così grave come era stato inizialmente dagli scienziati. Sia con esperimenti effettuati sulla Terra creando il vuoto, sia quelli fatti nello spazio hanno mostrato chiaramente che quando superfici perfettamente pulite di metalli, qualora vengono schiacciate assieme in assenza di aria si saldano assieme. In pratica, però, i metalli usati per la costruzione oggetti mandati nello spazio non è mai pulito a sufficienza; presentano infatti lo strato ossidato per non parlare di altri contaminanti quali polvere e lubrificante. Dovrebbe passare molto tempo perchè tutti questi componenti vengano eliminati permettendo a metalli privi di rivestimento di entrare in contatto nello spazio. Lo stesso problema del Gemini IV, in realtà non è stato dovuto da un fenomeno di saldatura a freddo, si trattava solamente di una porta alquanto dura.

Questo non vuol dire che la saldatura a freddo non avvenga mai: nel 1991 ad esempio la capsula Galileo era in partenza per Giove e quando gli scienziati provarono a svolgere la sua antenna ad alto guadagno, che doveva aprirsi come un ombrello, questa si bloccò. 3 dei 18 bastoni dell’antenna non si aprirono in quanto era stati in parte saldati a freddo. Gli scienziati dovettero così trovare un modo di adattare l’antenna a basso guadagno per mandare indietro dati da Giove.

Un report del 2009, pubblicato dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA), raccomandava tre metodi principali per evitare problemi di saldatura a freddo.

1- Quando possibile preferire l’utilizzo di plastiche e ceramiche per evitare contatti di metalli su metalli in movimento.

2- Se non è possibile evitare l’utilizzo di contatti di metalli con metalli cercare di usare metalli diversi: utilizzando leghe diverse il rischio di saldatura a freddo viene ridotto.

3- Utilizzare strati di protezione duraturi sui metalli, per evitare che con l’uso questi vengano totalmente rimossi.

La saldatura a freddo non è però solo una cosa negativa; gli scienziati hanno infatti trovato il modo di trarne grande vantaggio per la produzione di nanotecnologie. Tecniche di saldatura tradizionali, utilizzate a quella scala di grandezza possono spesso non funzionare, poiché richiede l’applicazione di calore su minuscoli nanotubi, cosa che può portare velocemente alla distruzione di queste strutture. In condizioni molto simili al vuoto dello spazio, gli scienziati hanno mostrato che è possibile saldare tra di loro minuscoli nanotubi d’oro in pochissimi secondi e senza l’uso di calore. Si tratta inoltre di saldature perfette, nelle quali la struttura interna è perfettamente identica al resto dei nanotubi ed identiche sono le proprietà meccaniche ed elettriche. Per quanto quindi la saldatura a freddo comporti un problema nello spazio è molto utile qui sulla Terra per la produzione di nanotecnologie.

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