Hiện tượng kim loại có thể dính chặt vào nhau trong không gian được gọi là hàn nguội (cold welding) và từ lâu đã là một trong những thách thức mà các kỹ sư chế tạo tàu vũ trụ phải tính đến.
Hình minh họa tàu vũ trụ Galileo của NASA, với ăng-ten thu tín hiệu cao chưa bao giờ được triển khai hoàn toàn trong suốt hành trình đến sao Mộc. Nguyên nhân được cho là do hàn nguội. (Nguồn: Getty Images)
Điều gì khiến kim loại tự dính vào nhau?
Kim loại được cấu tạo từ các mạng tinh thể, trong đó các nguyên tử liên kết chặt chẽ với nhau. Ở bề mặt kim loại, một số nguyên tử không còn liên kết đầy đủ như ở bên trong vật liệu. Vì vậy, nếu có cơ hội, chúng sẽ tìm cách liên kết với các nguyên tử trên bề mặt của một miếng kim loại khác.
Trên Trái Đất, điều này hầu như không xảy ra vì bề mặt kim loại luôn được bao phủ bởi một lớp oxit cực mỏng, chỉ dày vài nguyên tử. Lớp oxit hình thành ngay khi kim loại tiếp xúc với oxy trong không khí.
Theo nhà khoa học vật liệu Julia Greer thuộc Viện Công nghệ California (Caltech), một khi lớp oxit xuất hiện thì quá trình hàn nguội gần như không thể diễn ra nữa. Oxy đã "vô hiệu hóa" khả năng liên kết trực tiếp giữa các nguyên tử kim loại.
Lớp oxit này hoạt động như một hàng rào ngăn cách hai bề mặt. Nếu không có nó, các electron tự do trên bề mặt kim loại sẽ bắt đầu chia sẻ với nhau và tạo ra các liên kết mới.
Giáo sư Sven Bilen, chuyên gia về kỹ thuật hàng không vũ trụ tại Đại học Penn State, giải thích rằng khi không còn lớp oxit, các electron gần như không còn "phân biệt" đâu là nguyên tử của miếng kim loại này hay miếng kia. Chúng bắt đầu chia sẻ electron với nhau, khiến hai bề mặt kim loại dính chặt lại.
Vì sao ngoài không gian hiện tượng này xảy ra dễ hơn?
Trong môi trường chân không của vũ trụ, gần như không có oxy để tạo lại lớp oxit bảo vệ sau khi lớp này bị bong ra.
Không chỉ vậy, bức xạ Mặt Trời và các loại bức xạ ion hóa trong không gian còn có thể làm sạch bề mặt kim loại, liên tục để lộ những nguyên tử mới sẵn sàng liên kết.
Theo Julia Greer, gần như mọi điều kiện trong không gian đều tạo thuận lợi cho hiện tượng hàn nguội. Bề mặt kim loại cũng không hề nhẵn như mắt thường nhìn thấy. Dưới kính hiển vi, chúng gồ ghề giống những dãy núi nhỏ.
Kỹ sư hàng không vũ trụ Zachary Cordero của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) cho biết khi hai bề mặt bị ép vào nhau, đặc biệt nếu có rung động hoặc trượt nhẹ, lớp oxit sẽ bị bong ra ở các điểm tiếp xúc cao nhất. Khi đó, kim loại sẽ tiếp xúc trực tiếp với kim loại và hình thành các liên kết luyện kim rất bền.
Vì sao hiện tượng này từng khiến ngành vũ trụ đau đầu?
Hàn nguội có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với tàu vũ trụ. Nếu các bộ phận chuyển động bất ngờ dính chặt vào nhau, cơ cấu triển khai có thể bị kẹt, cửa khoang không thể mở hoặc các thiết bị cơ khí hoàn toàn mất khả năng hoạt động.
Theo Zachary Cordero, chỉ cần một cơ cấu bị hàn nguội cũng đủ làm tê liệt cả hệ thống. Có thể hình dung đơn giản như việc một con vít kim loại gắn trên cánh cửa kim loại bỗng trở thành một phần của chính cánh cửa đó, khiến không thể tháo ra được.
Giáo sư Bilen dẫn lại trường hợp tàu thăm dò Galileo của NASA, được phóng năm 1989. Trong quá trình phóng, chất bôi trơn bị suy giảm và rung động mạnh có thể đã làm bong lớp oxit ở một số bộ phận của ăng-ten thu tín hiệu. Khi các kỹ sư cố triển khai ăng-ten vào năm 1991, nó đã không bao giờ mở hoàn toàn.
Một số kim loại dễ xảy ra hiện tượng này hơn những kim loại khác. Vàng và bạch kim gần như không tạo thành lớp oxit ngay cả trên Trái Đất, vì vậy chúng đặc biệt dễ bị hàn nguội.
Julia Greer cho biết vàng là một trong những kim loại dễ hàn nguội nhất. Ngoài việc không có lớp oxit bảo vệ, vàng còn rất mềm nên dễ ôm sát bề mặt tiếp xúc, giúp các liên kết nguyên tử hình thành nhanh hơn.
Để tránh các bộ phận của tàu vũ trụ vô tình dính vào nhau, các kỹ sư áp dụng nhiều biện pháp khác nhau. Một trong những phương pháp phổ biến là anod hóa, tức tạo một lớp oxit nhân tạo bền vững trên bề mặt kim loại để ngăn tiếp xúc trực tiếp.
Ngoài ra, các bộ phận chuyển động còn được phủ chất bôi trơn khô như molypden disulfua nhằm giảm ma sát và ngăn hai bề mặt kim loại chạm trực tiếp vào nhau. Một giải pháp khác là sử dụng hai loại kim loại có cấu trúc tinh thể khác nhau. Khi các nguyên tử không khớp hoàn toàn với nhau, việc hình thành liên kết sẽ khó xảy ra hơn.
Theo Julia Greer, sự khác biệt trong cấu trúc nguyên tử tạo ra các rào cản năng lượng, khiến quá trình hàn nguội trở nên khó khăn hơn.
Trước khi phóng, mọi thiết bị còn phải trải qua các bài kiểm tra nghiêm ngặt trong buồng chân không và trên bàn rung để mô phỏng môi trường ngoài không gian, giúp phát hiện sớm các nguy cơ.
Dù vậy, hiện tượng hàn nguội vẫn không thể được loại bỏ hoàn toàn. Giáo sư Bilen cho biết ngay cả trong phòng thí nghiệm trên Trái Đất, ông từng gặp trường hợp các bu lông trong buồng chân không bị dính chặt sau khi được di chuyển. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu buộc phải khoan bỏ chúng để tháo ra.
