Смазать лазером: российские ученые изобрели новый вид смазки для изучающих космос или арктику механизмов
Недавно российские ученые разработали новый тип смазки, которая подходит для космической и арктической среды. Эта смазка подходит для экстремальных условий потому, что она твёрдая. В обычных условиях на Земле обычно применяют жидкую или густую смазку — с ней выходит так, что трутся не детали шарниров, а слои смазки между ними. Но что касается новой, твердой смазки — чтобы её нанести, нужна особая «маслёнка». Это лазерный луч, который испаряет целый ряд разных элементов, а помесь из этих элементов слоями должна осесть из облака пара на деталь. Да и выбор самих материалов тоже особый — селен и сера, которые в фольклоре являются почти обязательными атрибутами ада. И под стать им тугоплавкий «несгораемый» вольфрам, из которого делают нити накаливания для ламп. И так слой за слоем. После этого многослойная смазка готова служить хоть в Арктике, хоть в космосе.
Фото: сгенерировано ИИ по публикациям «Санкт-Петербург.ру»
Проблемы космоса
В самом начале истории покорения космоса есть несколько эпизодов о том, как на Земле невозможно было предугадать поведение частиц металла в подвижных узлах, подшипниках и смазке. Всё, что может двигаться, может и намертво заклинить – по методу так называемой «холодной сварки» — будь то антенна или даже входной люк целого космического корабля.
3 июня 1965 года — возможно, самый запомнившийся случай из истории «холодной сварки» в космосе. Астронавт Эдвард Уайт первым из американцев вышел в открытый космос с борта Gemini-4. Он пробыл за пределами космического корабля больше часа, а когда хотел вернуться — случилось неприятность, которая грозила ему смертью. Входной люк после выхода Уайта в открытый космос не закрывался.
Обычно на орбите иная система «дверей». Из открытого космоса астронавт должен зайти в специальную камеру (шлюз) между собственно самим космосом и станцией, он окажется между двух люков. Когда закрывается внешний люк, то в шлюз можно накачать воздух из баллонов, предназначенных именно для этого — в этот момент на астронавта начинает действовать такое же давление, как внутри всей станции. Но на Gemini-4 это было несколько проще — при выходе в открытый космос нужно было разгерметизировать весь корабль. Так что если внешний люк не закрывается, то это угроза для всей станции, а не только для астронавта, который в такой момент оказался снаружи.
Смерть от холодной сварки
Люк на Gemini-4 удалось закрыть спустя около часа попыток. Согласно плану, который разработали в NASA, перед изменением орбиты и приземлением астронавты должны были ещё раз открыть люк, чтобы выбросить газовый «пистолет», с помощью которого Уайт передвигался в космосе, и некоторое другое оборудование, но они не стали это делать. Американцы просто не захотели идти на риск — опасались, что проблема с люком повторится. В итоге на Земле это быстро стало сплетней — якобы астронавты не стали выбрасывать оборудование, так как хотели сохранить его в качестве памятного трофея.
«Пистолет» был передовой разработкой — официально он назывался HMNU (Hand-Helded Maneuvring Unit), что можно перевести как «ручное устройство маневрирования». Это устройство «стреляло» короткой струёй воздуха из баллона со сжатым газом. В результате этого астронавта в обратном направлении отталкивала сила противодействия. Уайт первым в мире опробовал это устройство и долго с ним упражнялся в невесомости, словно ребёнок с новой игрушкой.
Предполагается, что «дверь» заклинило из-за так называемой «холодной сварки» — в космосе металлические детали могут привариваться друг к другу просто прикасаясь, без предварительного нагрева, плавки, участия электрической дуги или электродов. Чтобы кристаллические решётки двух металлов «слиплись» на молекулярном уровне, достаточно, чтобы они просто соприкоснулись. На Земле это невозможно, так как на поверхности металлических деталей почти всегда присутствует оксидная плёнка.
В теории в космосе это тоже невозможно, так как детали для станций сделаны на Земле, в богатой кислородом атмосфере. Они покрыты оксидными плёнками, да и смазаны для хорошей работы. Но температура в космосе — -270,45°C. Это не значит, что все объекты в космосе такой же температуры, но всё же они могут серьезно охлаждаться. Если смазка не выполняет свою функцию, то детали стирают друг об друга свои оксидные плёнки. А они не возобновляются, так как в космосе нет кислорода. В итоге если густая смазка в космосе перестаёт быть густой, то трущиеся детали сперва стирают слои смазки, а затем стирают оксидную плёнку.
Без оксидной плёнки электроны из одного куска металла начинают свободно перемещаться в другом куске металла, с которым происходит плотный контакт. Физик Ричард Фейнман описывал это явление так — «атомы металла просто перестают «понимать», что находятся в разных кусках», на атомном уровне это уже один кусок металла.
Холодная сварка — процесс не быстрый, зависит от площади соприкосновения металлов. Но если оставить внешний люк открытым на несколько десятков минут, то подвижные детали могут вдруг стать неподвижными. И если повезёт, то их можно снова вернуть в подвижное состояние. А если нет, то последствия могут быть самыми разными. Астронавты Эдвард Уайт и его напарник Джеймс МакДивитт были в шаге от смерти — разгерметизированный корабль невозможно посадить на землю.
Советский опыт холодной сварки
В СССР о проблеме холодной сварки в космосе узнали преимущественно от американцев, но задолго до запуска Gemini-4. Инженер Владимир Сыромятников, которого иногда называют «отцом отечественной космической стыковочной техники», написал книгу «100 рассказов о стыковке», в которой отдельно обозначил проблему молекулярной холодной сварки в космосе. Сыромятников ещё в 1958 году изучил статью американских ученых, в которой специалисты указывали, что в глубоком вакууме открытые поверхности тел будут «обезгаживаться» (лишаться оксидной пленки, которую металл приобрел на Земле), а смазка и другие покрытия и вообще могут испаряться. Сыромятников изучил проблему, проанализировал данные, сделал специальный доклад.
Но ученый признаёт, что первые годы покорения космоса при конструировании приводов и механизмов для работы в открытом космосе специальные меры практически не принимались, да и отказов механизмов в полётах на тот момент практически не было. Для сваривания нужно ощутимое время, а время пребывания в космосе в те годы было очень коротким, но постепенно возрастало.
«Два обстоятельства, как мне кажется, сыграли здесь решающую роль: хорошая школа ракетной техники, которую прошли наши конструкторы, и небольшая продолжительность работы в открытом космосе — короткий ресурс, как мы это называли», — пишет ученый в своей книге.
В мае 1960 года теория подтвердилась — у беспилотного прототипа корабля «Восток» отказал датчик инфракрасной вертикали, в итоге корабль улетел на ещё более высокую орбиту вместо того, чтобы начать спуск на Землю. Сыромятников и учёные из Академии наук провели ряд экспериментов в барокамере и пришли к выводу, что подшипник сканирующего зеркала в датчике перестал работать из-за холодного сваривания.
«Конструкторы ОКБ «Геофизика» оперативно усовершенствовали свой узел вращения, заодно загерметизировав весь прибор. Следующий полет прошел без замечаний», — отметил в книге Сыромятников
Но всё же волнение, поднявшееся в результате аварии, прокатилось по многим научным и промышленным предприятиям и еще долго будоражило инженеров-конструкторов.
«Может быть, значимость случившегося отказа была преувеличена, но тем не менее следует признать, что внимание, уделённое проблеме, наверняка спасло от новых аварий и катастроф. Как говорится, береженого Бог бережёт!» — добавил советский инженер.
Плёнка, которая не стирается, а возобновляется
Ученые НИЯУ МИФИ и их коллеги из БФУ им. И. Канта сосредоточили своё внимание на том, что жидкие смазки нельзя применять в экстремальных условиях — например, в узлах космических аппаратов или внутри вакуумных манипуляторов и микроэлектромеханических устройств. В целом мире уже давно используются твердые смазки на основе особых веществ — дисульфидов или диселенидов молибдена или вольфрама. Однако российские учёные шагнули дальше этого.
Во-первых, они удачно подобрали сам химический состав — он в несколько раз лучше аналогов. Но это только часть изобретения. Далее ученые сосредоточились над тем, как лучше всего наносить такую смазку на какие-либо узлы механизмов.
«Мы использовали лазерное испарение диселенида вольфрама в сероводороде, которое приводило к образованию атомарного потока селена, серы и вольфрама и наночастиц вольфрама. Покрытие осаждалось при комнатной температуре основы. Лазерный метод осаждения позволяет гибко регулировать состав и структурное состояние покрытий и открывает возможность получения материалов со свойствами суперсмазки при различных условиях», — подробно пояснил один из авторов разработки, главный научный сотрудник кафедры физики твердого тела и наносистем Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ Вячеслав Фоминский.
В итоге таких сложных манипуляций на поверхностях металлов получаются пленки с особой наноструктурой — это сложное химическое соединение серы, селена и вольфрама (сульфоселенид вольфрама), в матрице которого равномерно распределены сферические наночастицы чистого вольфрама.
Вячеслав Фоминский также отметил, что группе ученых удалось подобрать оптимальное сочетание «матричного материала» и наночастиц в нем. На поверхности этого покрытия при трении будет образовываться некая нанопленка (трибоплёнка) толщиной около 20 нанометров (в среднем толщина человеческого волоса — около 80 тысяч нанометров).
Это может показаться очень малым. Но дело в том, что трибоплёнки образуются в результате сложных механохимических взаимодействий между поверхностными материалами и смазочными материалами. То есть она в каком-то смысле возобновляемая из того самого сульфоселенида вольфрама, испаренного на детали лазером. Эксперименты показали, что коэффициент трения для полученных покрытий при комнатной температуре не превышал 0,02, по сравнению с 0,04 — 0,07 для аналогов.
«Изменяя содержание серы в аморфной матрице, мы можем создавать качественные смазочные покрытия для сложных условий эксплуатации, например, таких, как при сильном охлаждении узлов трения (до -100°С) в инертной атмосфере при низкой концентрации паров воды», — подытожил Вячеслав Фоминский.
Перспективы у данного открытия обширные — ученые будут работать над улучшением состава и методов нанесения. Но открытие применимо уже сейчас. Если собрать вездеход для арктических широт или даже марсоход, то его надежность должна серьезно вырасти при меньших затратах энергии.
