伽利略号太空探索（为何伽利略号的天线无故融合在一起）

太空中与地球上有着完全不同的环境，而最明显的也最广为人知的差异是太空中是没有空气的，即真空的。

基于种种差异，许多在地球上轻而易举做到的事在太空中却很费劲，许多在地球上不容易做到的事却能在太空中却不费力地做到。

比如说漂浮，在地球上一个人如果不借助工具是无论如何都“飘”不起来的，但在太空中却得“绑根绳子”以阻止你飘太远。

除了这个最简单的例子外，还有一个很有趣的现象是，在太空中两块同类型的金属板相互接触的话会“融合”在一起。

在地球上要“连接”两块金属是要费点功夫的，那为什么在太空中可以很轻松的做到呢？这到底是什么原理呢？

冷焊—太空中的噩梦

其实，我们所说的两块金属在太空中接触融合的现象在科学上叫做“冷焊”，顾名思义它是一种焊接方法。

太空中的冷焊现象并不是人类在太空站中做实验发现的，而是由于一些意外的航天事故，它就是事故的“元凶”。

1989年10月，美国国家航天航空局（NASA）向天空发射了一个名为“伽利略”的航天器，其目的是收集木星的数据。

由于地球和木星之间的距离很远，所以NASA的科学家为航天器设计了一种特殊的天线，以便它顺利完成任务。

图为：天线的“伞骨”有18根，但只有15根正常打开

这种“高增益天线”被精心设计成了小巧的伞状结构，在运行时可以以每秒134kb的速度向地球传送信息。

经过一年半的航行，“伽利略号”于1991年4月抵达木星，但是意外发生了，科学家无法打开天线。

经过上千次的调试检查，科学家将问题归结为一个非常简单但却很致命的故障：天线的移动结构“粘”住了，动不了。

最后，科学家不得不使用另外一个低增益的备用天线，而它的效率仅仅是“高增益天线”的0.01%。

这意味着它遗憾地丧失了一次进行伟大的木星探索的机会，而“高增益天线”也无法展现它的“高增益”。

图为：伽利略号完全打开天线的合成图

移动结构为何无端在太空中“粘住”打不开？经过一系列的实验验证，科学家确定是金属发生了冷焊。

冷焊现象对人类的太空作业造成了很大困扰，因此导致的经济损失已达数十亿美元，伽利略号只是“受害者”之一。

冷焊的原理是什么

冷焊现象最早发现于上世纪40年代， 当时人们发现两个表面干净平坦且材料相似的金属在真空状态下接触的话会连接在一起。

相比传统的将两个金属加热融化再焊接在一起的“热焊”，冷焊显然更加干净利落，不拖泥带水。

那么它的原理是什么呢？为什么两块金属在真空中接触的话会连接呢？

有一种有趣的解释是当两块类似的金属接触时，各自的原子会分不清哪个才是自己的“家”，便开始来回乱窜，于是金属就“连”起来了。

这种解释虽然像开玩笑，但它在一定程度上是正确的，冷焊现象会发生的确是由于原子的运动。

我们知道，所有的金​属都是由原子构成的，而在非绝对零度条件下，所有的原子是具有动能的。

也就是说原子一直在运动着的，它运动的方式不外乎三种：要么旋转，要么振动，要么在空间​略​过。

图为：H 离子在超离子冰的O 2-晶格中扩散

在一个大的粒子系统中（比如说一个固体中），即便各个原子之间依靠化学键连接，不同的温度也会让它们具有不同的动能。

有一些原子会移动的很慢，只是懒洋洋的与其他原子相互作用；有一些则会移动的很快，显得比较活跃；还有一些具有最高的动​能​，则可以称之为“疯狂”。

第三种原子移动速度非常快，它们可以通过推开其他原子或占据多余的空位从一个位置跳到另一个位置。

所以，在每一个固体中的每一瞬间，都会有一些原子跳来跳去，这个过程也可以叫做原子扩散。

当两块金属在真空中接触时，各自最活跃的原子就可能通过扩散跑到对方的晶格点中，从而在两块金属间产生了引力。

图为：地球金属会有氧化膜

地球上为什么不能发生冷焊

上面我们说过一般的冷焊发生条件是在真空中，地球上无法发生冷焊的原因自然是因为地球上有空气。

那为什么在非真空环境下就不能发生冷焊呢？原因其实很简单，是氧化膜阻挡了金属原子的扩散。

暴露在空气中的金属会与氧气发生反应生成一层氧化膜，与苹果被氧化会变色不同，金属的氧化膜有时候并不明显。

氧化膜虽然可以阻挡原子的扩散，但它也并非可以完完全全阻挡，只要两块金属表面相对光滑它们还是可以发生冷焊的，只是需要的时间可能相当长。

当然，你也可以通过加热加压来缩短这一过程，加压是让它们彼此靠的更近，加热则是让原子跑的更快。

所以，地球上也是可以进行冷焊的，一种是制造真空环境以达到快速的冷焊，一种则是自然条件下缓慢的“冷焊”。

最后

冷焊的本质其实就是原子的扩散，原子扩散的条件并不苛刻，在地球上就可以发生，但最理想的条件是真空中。

而恰好，这个理想条件人类是可以做到的，只是有些理想的物理条件很难达到，比如完全光滑。

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