Si vous rapprochez deux plaques de métal sur Terre, rien ne se passe. Mais si vous emportez ces mêmes plaques dans le vide de l’espace, elles peuvent fusionner en un seul morceau de métal.
Ce phénomène, appelé soudage à froid, constitue depuis longtemps un danger connu pour les ingénieurs des engins spatiaux. Alors, que se passe-t-il réellement au niveau atomique, et pourquoi l’espace rend-il les choses tellement plus faciles ?
La réponse se résume à un manque d’oxygène dans l’espace, ont déclaré des experts à Live Science.
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Les métaux sont constitués de treillis – des structures où atomes sont liés les uns aux autres. Mais les atomes proches de la surface d’un métal ne sont liés à rien du côté extérieur. Si on leur en donne l’occasion, ils « tendront la main » et partageront des électrons avec la surface d’un autre morceau de métal.
Mais sur Terre, presque toutes les surfaces métalliques sont recouvertes d’un revêtement couche d’oxyde. La couche n’a que quelques atomes d’épaisseur et se forme lorsque le métal rencontre l’oxygène. « Une fois l’oxyde formé, c’est fini » Julia Greerun scientifique des matériaux à Caltech, a déclaré à Live Science. « Ensuite, il ne peut plus souder à froid, car l’oxygène passive ces liaisons. »
Ce mince oxyde agit comme une enveloppe isolante. Sans cela, les électrons libres à la surface d’une pièce métallique ne reconnaissent plus à quel atome ils appartiennent. « Ces électrons ne savent pas si c’est dans cette pièce ou si c’est dans cette pièce, alors ils commencent à partager les électrons, et essentiellement, cela soude les choses ensemble à froid », Sven Bilénprofesseur de conception technique et de génie aérospatial à Penn State, a déclaré à Live Science.
Dans l’espace, il n’y a pas d’oxygène pour reconstruire cette couche une fois disparue. Le froid et les radiations aggravent la situation. Le bombardement du rayonnement solaire et ionique en orbite peut nettoyer les surfaces métalliques, a déclaré Greer, laissant les atomes fraîchement exposés prêts à se lier. « Tout dans l’espace est propice au soudage à froid », a-t-elle déclaré.
Les surfaces métalliques ne sont jamais non plus parfaitement lisses. À un niveau microscopique, ils sont irréguliers – ressemblant davantage à de minuscules chaînes de montagnes qu’à des plaines plates, a déclaré Zachary Corderoingénieur aérospatial au MIT.
Presser deux surfaces l’une contre l’autre, en particulier lors d’un glissement ou d’une vibration, peut cisailler la couche d’oxyde qui s’est formée lorsque le métal était sur Terre et aplatir ces pics pour obtenir un contact métal sur métal. « Vous brisez l’oxyde de surface et vous formez des liaisons métallurgiques », a déclaré Cordero.
Pourquoi le soudage à froid a inquiété les premiers ingénieurs des vaisseaux spatiaux
Le soudage à froid dans l’espace pose depuis longtemps un problème. « S’il y a du soudage à froid, les choses peuvent rester bloquées », a déclaré Cordero à Live Science. « Si vous avez une structure déployable et qu’il y a du soudage à froid, vous pourriez geler le mécanisme, ou une porte pourrait se verrouiller, ou quelque chose pourrait s’immobiliser, ce que vous ne voulez pas. »
Par exemple, disons que vous deviez ajouter une vis métallique à une porte métallique. Au bout d’un moment, vous ne pourrez plus le dévisser car il serait devenu une partie de la porte.
Bilén a souligné La sonde Galileo de la NASAlancé en 1989 : on pense que la perte de lubrifiant et les vibrations de lancement lors du lancement ont enlevé la couche d’oxyde de certaines parties de son antenne enroulée à gain élevé. Lorsque les ingénieurs ont tenté de déployer le antenne en 1991il ne s’est jamais complètement ouvert.
Certains métaux sont plus problématiques que d’autres. Or et le platine ne forment pas du tout de couche d’oxyde, même sur Terre, ce qui les rend notoirement sujets au soudage à froid. « L’or est définitivement un métal très connu pour le soudage à froid », a déclaré Greer, ajoutant que la douceur de l’or lui permet de s’adapter facilement à la surface qu’il touche et de se lier encore plus facilement.
Comment éviter le soudage à froid dans l’espace
Pour éviter que des composants ne fusionnent accidentellement en orbite, les ingénieurs s’appuient sur quelques stratégies. L’un est anodisationun processus qui verrouille une couche d’oxyde artificiel sur une surface métallique. Une autre méthode consiste à enduire les pièces mobiles de lubrifiants secs, tels que le bisulfure de molybdène, pour empêcher physiquement les surfaces de se toucher.
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Une troisième stratégie consiste à associer des métaux différents – par exemple l’or à côté d’un métal « centré sur le corps », comme le molybdène – afin que leurs structures atomiques ne s’imbriquent pas aussi parfaitement. « Leur ordre d’emballage n’est pas tout à fait parfaitement aligné, et il y aura donc beaucoup plus d’obstacles énergétiques à surmonter », a déclaré Greer.
Avant le lancement, le matériel est également secoué sur des tables vibrantes et soumis à des fluctuations extrêmes de chaud et de froid à l’intérieur de chambres à vide, simulant les contraintes de décollage et d’orbite pour détecter les problèmes au sol.
Même avec toutes ces précautions, le soudage à froid peut toujours avoir lieu. Bilén se souvient que des boulons dans la chambre à vide de son propre laboratoire se sont fermés après un déménagement à travers le campus. Il a finalement fallu les percer. « Cela arrive même sur Terre », a-t-il déclaré.
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