Насколько зловредна и вездесуща коррозия? Настолько, что достала человечество даже в космосе! В 2020 году на МКС нашли свыше 130 коррозионных очагов, из которых несколько признаны особо опасными. Как возникает коррозия там, где нет ни воды, ни агрессивной химии, как с ней боролись в советские времена, какие системы и технологии применяют сегодня и почему до полной и окончательной победы еще далеко - читайте в нашем новом материале.
Угроза изнутри и снаружи
На то, что космическим аппаратам в безвоздушном и пустом внеземном пространстве не будет грозить коррозия, рассчитывали специалисты, однако их чаяния оказались бесплодными: как показал опыт эксплуатации ракет, космических станций, спутников и пилотируемых кораблей, коррозионные процессы в космосе все же протекают. И хотя механизм их возникновения отличается от процессов «земных», опасность они могут представлять ничуть не меньшую.
Так, основными причинами коррозии на Земле, как правило, являются влага и кислород. В космосе ни того, ни другого нет, но зато есть свои деструктивные факторы, причем различающиеся в зависимости от степени удаления аппарата от родной планеты. Так, в верхних слоях атмосферы наибольшее воздействие на металлические конструкции оказывают атмосферные ионы, то есть рассеянные в атмосфере электрически заряженные частицы, возникающие под действием солнечного излучения. Также повреждения может вызывать атомарный кислород - кислород, не имеющий привычного нам молекулярного строения и находящийся в среде в виде свободно «странствующих» атомов. Согласно химической классификации он является так называемым свободным радикалом, а от обычного кислорода отличается повышенной реакционной способностью: свободные атомы быстро «цепляются» за любые попавшиеся им на пути частицы и образуют с ними прочные связи. Касается это, безусловно, и атомов металла, а следовательно, в верхних слоях атмосферы кислородная коррозия может развиваться даже быстрее, чем на Земле. Если же мы поднимемся выше - на высоту от 160 до 650 километров, то попадем в среду, которая состоит из атомарного кислорода примерно на 90 процентов.
Но и поднявшись еще выше - вплоть до геостационарной орбиты, расположенной на удалении свыше 35 тысяч километров над экватором, мы не избавимся от факторов, провоцирующих коррозию. Угроза со стороны атомарного кислорода отступает, зато появляется угроза со стороны высокоэнергетических частиц солнечного ветра и космических лучей, ультрафиолетового и рентгеновского излучения, вакуума и так далее. Как показывают исследования, космической коррозии в наибольшей степени подвержены движущиеся части аппаратов, узлы стыков, крепления и обшивка.
«Спецификой космической техники является использование оболочек толщиной 2-3 миллиметра, в которых коррозию требуется обнаруживать при незначительных поражениях (порядка 100 микрон), - отмечают в научной работе «Антикоррозионная защита космической техники» инженеры-технологи Научно-производственного объединения имени Лавочкина Евгения Севашко и Борис Ботиков. - На ранних стадиях коррозии, когда вероятность обнаружения дефектов остается низкой, происходит микродеструкция материала, представляющая высокую потенциальную опасность. Развитию коррозионных процессов способствует наличие в модулях станции «холодных» зон, в которых температура корпуса ниже температуры точки росы, усугублению - напряженное состояние оболочки, которое возникает под влиянием внутреннего атмосферного давления».
В космическом агентстве NASA, к слову, даже есть своя довольно занятная классификация, в соответствии с которой разные элементы аппаратов испытывают в зависимости от того, каким провоцирующим нагрузкам им предстоит подвергаться:
- погружение в морскую воду - покрытия этого класса должны выдерживать погружение в морскую воду в два раза дольше установленной максимальной продолжительности, полученной при испытаниях
- нахождение на морском побережье - системы покрытий этого класса должны обеспечивать антикоррозионную защиту, в два раза превышающую максимально ожидаемое воздействие окружающей среды; также они должны быть устойчивы к циклическому воздействию соляного тумана и УФ-излучению на окрашенный металл
- воздействие факторов среды в 50 милях от побережья - покрытия этого класса испытываются аналогично предыдущему: в чередующихся циклах воздействия УФ-излучения и соляного тумана
- воздействие потенциально коррозионных химических систем или микробиологическое воздействие - покрытия должны пройти испытания на устойчивость к росту плесени, грибковому воздействию и химической коррозии
- помещения с неконтролируемой влажностью - покрытия этого класса испытывают согласно стандартам
- помещения с контролируемой влажностью - для покрытий этого класса тестирование не требуется
- отсеки экипажа - покрытия этого класса тестируются на устойчивость к соляному туману, вибрации, на усталость и напряжение конфигурации в условиях, моделируемых в условиях миссии.
Помимо «наружной» коррозии в космических аппаратах может также развиваться коррозия «внутренняя». Так, в 2020 году специалисты Института медико-биологических проблем РАН опубликовали исследование, в котором говорилось об обнаружении на МКС 131 уязвимой точки - 110 локальных областей коррозионного разрушения и 21 участок с коррозионными очагами. В число наиболее опасных вошли зоны трех иллюминаторов, потолок и одна из стенок в туалете. По словам специалистов, одной из причин возникновения очагов стала плохая вентиляция этих мест. Любопытно, что коррозия оказалась преимущественно биологической: работы «на месте», выполненные экипажем станции, показали наличие целого семейства грибов и бактерий, концентрация которых местами превышала максимально допустимые значения в три-четыре раза. При этом положительное влияние на рост микроорганизмов, как удалось выяснить в дальнейшем, оказывали не только влажность и плохой обдув, но и некоторые специфические факторы, например ультразвуковой фон, возникающий от работы оборудования станции.
От «Бурана» до «Кварца-М»
Разумеется, исходя из всего вышесказанного, космические аппараты нуждаются в серьезнейшей защите от коррозии. Так, например, над созданием антикоррозионных систем для первого (и, увы, единственного) пилотируемого космического корабля СССР - легендарного «Бурана» - трудился целый коллектив выдающихся специалистов Всероссийского института авиационных материалов. Ветеран ВИАМ Светлана Каримова в одной из своих статей вспоминала, что к этой работе предъявлялись повышенные требования, ведь «Буран» должен был выдерживать не только взлет и пребывание в космическом пространстве, но и повторное прохождение через слои атмосферы при возвращении на Землю.
«Условия эксплуатации многоразового космического корабля «Буран» имеют ряд особенностей, определяющих повышенные требования к применяемым материалам и покрытиям, - отмечает эксперт. - Это обеспечение герметичности материалов и покрытий в условиях глубокого вакуума; отсутствие деструкции и «схватывания» покрытий; повышенные защитные свойства покрытий, обеспечивающие отсутствие коррозионных поражений при воздействии внешней среды и конденсата; сохранение свойств покрытий после воздействия эксплуатационных нагревов при наличии значительных перегрузок».
Специалисты исследовали десятки марок металлов и неметаллических материалов. Испытаниям подвергались сплавы, теплозащитные материалы - различные войлоки, герметики, резины, клеи, подслои под клеи и герметики, анаэробные композиции, смазки, масла, твердосмазочные материалы, углепластики, стеклопластики, пенопласты. По итогам всего этого удалось отсеять наиболее уязвимые для коррозии материалы и выбрать только те, которые отличались наилучшими защитными свойствами.
Сегодня научная мысль для борьбы с коррозией сосредоточена в основном вокруг производства специализированных сплавов. «Классическим» вариантом считаются сплавы алюминия - они хорошо поддаются штамповке, имеют высокую пластичность и прочность. Вместе с тем, чтобы алюминиевые сплавы не подвергались коррозии, их, как правило, обрабатывают токсичными соединениями на основе хрома, от которых в последнее время пытаются отказаться. Более перспективными считаются покрытия на основе циркония и титана, но недостатки есть и у них: в частности, под воздействием водорода они могут становиться хрупкими, поэтому в них добавляют легирующие элементы - например, цинк. На действии активного цинка, к слову, основан механизм работы составов класса Zinker, о которых мы подробно рассказывали в предыдущих материалах. Космические аппараты ими пока не обрабатывают, но все же к космосу составы класса Zinker имеют самое прямое отношение: они использовались для защиты от коррозии отдельных конструкционных элементов на знаменитом космодроме “Восточный”, первом гражданском космодроме в России. Ну а уж что касается сугубо “дел земных”, то тут у них давно сложилась огромная сфера применения - от складских конструкций до вышек сотовой связи, элементов благоустройства, речных и морских кораблей и даже элементов нефтегазодобывающих агрегатов.
Наконец, для защиты металлов в космических аппаратах могут использоваться тонкие керамические покрытия, которые наносятся в два слоя: сначала идет базовый, выращенный на подложке путем анодирования, а потом химически-стойкий основной. В результате формируется ионный барьер.
Также для антикоррозионной защиты алюминиевых сплавов может использоваться тонкое керамическое покрытие, которое наносится в два этапа. Сначала путем анодирования на подложке формируется химически однородный тонкий базовый слой, затем наноразмерные поры в базовом слое герметизируются, а вся поверхность покрывается химически стойким керамическим материалом. В результате формируется ионный барьер, не позволяющий атомарному кислороду и другим агрессивным веществам «забирать» у металла электроны и таким образом инициировать электрохимическую коррозию, и значительно повышающий химическую стойкость покрытия.
Исследования причин возникновения космической коррозии и методов борьбы с ними ведутся до сих пор. Так, в 200-м началась подготовка к реализации на Международной космической станции уникального эксперимента «Кварц-М». Его цель - изучить в динамике влияние различных факторов на материалы станции, прежде всего полимерные и полимерно-композиционные. В 2024 году эксперимент вошел в практическую стадию: на внешней поверхности малого исследовательского модуля российского сегмента МКС установили необходимое оборудование, включающее в себя комплект диэлектрических датчиков, которые будут непрерывно мониторить изменение состава, структуры и свойств конструкционных материалов и отсылать собранные сведения на Землю. Эксперимент должен завершиться в 2027 году - предполагается, что к тому времени на руках у исследователей будут исчерпывающие базы данных, которые позволят подбирать оптимальные системы защиты аппаратов от коррозии исходя из особенностей их миссии и полета.