Rein ins All

Předběžné čištění masivní satelitní součásti (Zdroj: Fraunhofer IPA)

NFC-Tagy pro sledování čistoty součástí (Zdroj: Fraunhofer IPA)

Posouzení mikrobiální sterilnosti součásti k ochraně planet před kontaminací bakteriemi. (Zdroj: Fraunhofer IPA)

IPA.Výtok – Ventil řízený magnetismem (Zdroj: designarmada, Fotografie: Jens Kramer) / Obrázek 4: IPA.Výtok – Magneticky řízený ventil (Zdroj: designarmada, Fotografie: Jens Kramer)

Spolehlivá dodávka energie – nezbytná pro letectví a kosmonautiku (Zdroj: Fraunhofer IPA, Fotografie: Heike Quosdorf) / Obrázek 5: Spolehlivá dodávka energie – naprostá nutnost pro vesmírné cestování (Zdroj: Fraunhofer IPA, Fotografie: Heike Quosdorf)

Rover ExoMars (Zdroj: ESA) / Rover ExoMars (Zdroj: ESA)

Součástky používané při vesmírných misích musí být pečlivě vyčištěny. Fraunhofer IPA si zde během několika let vybudoval jméno – především proto, že nejenže čistí, ale také dokáže přesně určit kvalitu své práce. Za to stojí vysoce přesné analytické přístroje, které má k dispozici. Navíc disponuje jedny z nejkomplexnějších čistých prostor na světě.

Všechno začalo překvapivým dotazem. Evropská kosmická agentura ESA se ptala, zda je Fraunhofer IPA schopen sterilizovat různé součástky pro misi na Mars. Udo Gommel, vedoucí příslušného oddělení „Elektronika a mikrosystémy“, si nepředstavoval velké šance, že by mohl zvládnout tento náročný úkol. Navíc nebyl jediný, kdo byl osloven. A dále neměl žádné zkušenosti s letectvím a kosmonautikou. „Myslel jsem si, že mě jako výrobního technika hned vyhodí,“ vzpomíná. Přesto měl zkušenosti s čištěním jemných elektronických součástek, například v polovodičovém průmyslu nebo zdravotnictví. Navíc mohl nabídnout jeden z nejlepších čistých prostor na světě. A to nakonec rozhodlo: dostal zakázku. To bylo před sedmi lety. V současnosti je letectví a kosmonautika pevnou součástí jeho oboru. Momentálně probíhá kolem 20 projektů s různými zaměřeními. „Jakmile se člověk jednou dostane do odvětví, je s ním neustále předáván,“ říká Gommel. Kdykoliv je potřeba řešit zvlášť složité otázky, když komerční řešení selhávají nebo je potřeba výzkum, jsou Stuttgartští vždy ve hře.

Bezpečnost má nejvyšší prioritu

V letectví a kosmonautice je bezpečnost na prvním místě, protože jde o lidské životy – a také o velké peníze. Pokud se zříti letadlo, zahyne najednou stovky pasažérů. A mise do vesmíru často stojí tolik, co celý mrakodrap. Protože bezpilotní kosmická sonda, jakmile je vypuštěna, už se nedá opravit, může selhání i nejmenší součástky vést ke katastrofě. Pak jsou všechny snahy marné a vědci musí čekat roky na náhradní misi. „Selhání není možnost,“ říká se v letectví a kosmonautice. Žádná součástka nebo zařízení nesmí selhat. Znečištění hraje v tom zvláštní roli. Špína je jed pro všechny materiály: může zablokovat mechaniku, způsobit zkrat nebo narušit elektroniku. Obzvlášť citlivé je to u sond, které mají hledat stopy života na cizí planetě. Přesně o to jde u evropské mise na Mars „ExoMars“, kterou se Stuttgartští stále zabývají. Start je plánován na rok 2018. Přistávací modul přistane na sousední planetě a vyšle vozítko velikosti smartu. Aby jeho senzory, které mají hledat život, mohly spolehlivě fungovat, nesmí na cestu z Země přenést organické materiály. Jinak by dopadl jako jeho americký předchůdce „Curiosity“, který v roce 2012 oznámil úspěch. Experti měsíce analyzovali nalezené látky pomocí palubních přístrojů – dokud nezjistili, že šlo o falešný poplach: přístroje detekovaly zemské kontaminace. Aby se takovým selháním zabránilo, musí být všechny součástky absolutně sterilní. Ani zbytky mrtvých mikrobů nesmějí zůstat v trhlinách. Z ekologických důvodů je taková pedantnost dnes pevnou součástí kosmonautiky. Instituce jako ESA a NASA se zavázaly v rámci „Programu planetární ochrany“, že na jiné planety nevnesou žádné mikroby ze Země. A musí také zajistit, aby žádné nebezpečné látky z cizích světů nedorazily zpět na Zemi – pokud je plánován návrat. Euforické scény z roku 1969, kdy první lidé na Měsíci byli uvítáni nadšeným davem a předali prezidentu Richardu Nixonovi kufřík s lunárním kamenem, jsou dnes nemyslitelné. Od té doby vznikl speciální „Pověřenec pro planetární bezpečnost“, který dohlíží na to, aby se něco takového už nestalo a všechny předpisy byly dodržovány. Často ho lze potkat v Stuttgartu.

Nejčistší čistý prostor na světě

Pro spolehlivou sterilizaci marsovského roveru navrhli a zřídili stuttgartští experti pro ESA čistý prostor v nizozemském Noordwijku, sídle Evropského kosmického výzkumného a technologického centra (ESTEC). Bezpečné čištění je totiž možné pouze v čistém prostoru, jinak by se nesčetné částice prachu, které ve vzduchu plavou, okamžitě znovu kontaminovaly. Nejkomplexnější čistý prostor na světě se nachází v Fraunhofer IPA. Vyhovuje nejvyšším požadavkům na čistotu, podle normy ISO třídy 1. To znamená, že jeden krychlový metr vzduchu nesmí obsahovat více než 10 částic o velikosti 0,1 mikrometru. V prostoru třídy ISO 9, což je relativně méně čistý čistý prostor, by to bylo 10^9 částic, tedy miliardakrát více. V běžném městském vzduchu se pohybuje asi 10^13 částic na kubický metr, v smogu ještě více. Aby bylo možné dodržet nejvyšší úroveň čistoty, je třeba vynaložit velké úsilí. To již pozná návštěvník při vstupu do budovy IPA: hned za dveřmi mu brání v cestě nízký zábradlí. Před vstupem si musí obout plastové návleky na obuv. Kouření je v celé budově zakázáno. Tyto opatření však snižují počet částic pouze o faktor 10.

Vlastní čisté prostory, přístupné pouze přes přechodové komory, jsou hermeticky uzavřené – jakýsi dům uvnitř domu. Vidí se vědci v jejich sterilních oblecích za vysokými skleněnými stěnami. Uvnitř je mírný přetlak, aby dovnitř nemohl proniknout nezachycený vzduch. Navíc je zde laminární proudění vzduchu, které od stropu směrem k zemi, zajišťuje, že v místnosti nezůstane žádný prachový zrníčko. Při rychlosti proudění 50 centimetrů za sekundu se veškerý vzduch v místnosti během několika sekund vymění. Částice vznikající například třením rukavic při manipulaci, rychle mizí v perforované podlaze. Aby nedocházelo k víření vzduchu, které by narušovalo výměnu, inženýři se zřekli stropního jeřábu. Celý strop je pokryt filtračními prvky. A podlaha je zvýšená, aby bylo možné vzduch čistě odsávat. V tomto ultraclean prostředí lze dokonce měřit, kolik opotřebení vznikne při pohybu robotického ramene nebo kabelu. Podobná zařízení třídy ISO 1 jsou na světě jen v Holandsku a Rumunsku. Obě navrhli experti z IPA. Stuttgartské čisté prostory jsou však největší. Nejimpozantnější má výšku 6,50 metru. Jeho zvýšená podlaha unese zatížení 6 tun na čtvereční metr, což je na světě unikátní.

Oxid uhličitý sníh a ultrazvukové metody

Pro sterilizaci marsovského roveru se osvědčila metoda, kterou vyvinuli a patentovali experti z Fraunhofer IPA. Jedná se vlastně o pokročilejší verzi. Původně byla tato metoda používána v USA k odstranění nátěru z letadlových trupů. Silný paprsek složený z krystalků zmrazeného oxidu uhličitého o velikosti zrn rýže odstraňuje barvu doslova od kovu. Stuttgartští však tento hrubý nástroj výrazně vylepšili. Místo ledových krystalů používají sníh z oxidu uhličitého. A klíčem je, že paprsek vycházející z trysky je dodatečně urychlen pomocí obalového proudu dusíku. Tím pronikne do všech škvír a odstraní i ty nejmenší nečistoty. Jakmile se drobné vločky sněhu dostanou na relativně teplý povrch, promění se v plyn, jehož objem se explozivně zvětší až 800krát. Explozivní tlak odfoukne veškerou špínu, včetně otisků prstů, které předtím chladný plyn oslabil. Jedinou nevýhodou je, že oxid uhličitý je drahý. Za 1000 eur se dá koupit jen 30 kilogramů – a ty jsou pryč už po deseti minutách. Proto má Fraunhofer IPA nainstalovanou zařízení na zpracování, které stálo samostatně 800 000 eur.

Použití oxidu uhličitého je jen jednou z mnoha možností čištění průmyslových součástek. Existuje asi třicet dalších metod, na jejichž vývoji právě Fraunhofer IPA intenzivně pracuje. Od utírání nebo mytí po plazmové čištění. Některé metody, například ultrazvukové, vyžadují vlhké nebo kapalné prostředí, a proto nejsou vhodné pro elektronické nebo elektrické komponenty. Jiné, například metoda s oxidem uhličitým, pracují suchým způsobem – a jsou tak obzvlášť šetrné. Existují hrubé a jemné čištění, předběžné a finální čištění. Která metoda bude nakonec použita, závisí na požadavcích na čistotu a typu součástky. Nejvyšší nároky klade polovodičový průmysl, který se stal tahounem v oblasti čistících technologií. Struktury na čipech jsou dnes tak malé, že i částice o velikosti několika nanometrů může způsobit zkrat. V automobilovém průmyslu je to méně přísné. Sem patří částice od velikosti 200 mikrometrů, které jsou považovány za kritické, především kvůli kovové kontaminaci. Kosmonautika je někde mezi. Obecně platí, že se pracuje s částicemi o velikosti jednoho mikrometru.

Součástka za milion eur: čištění v rekordním čase

V letectví a kosmonautice je však v jiných ohledech práce velmi pečlivá. Každá součástka je zpracovávána jednotlivě, od hliníkového rámu po podložku. Pásová výroba je v tomto oboru nemyslitelná. Každý krok je pečlivě dokumentován. V budoucnu by k tomu měly pomoci NFC tagy, které budou ukládat informace o stavu zpracování každé součástky. Díky tomu lze sledovat celý vývoj i té nejmenší šroubovky od výroby po finální montáž. Pouze tak je možné při poruše najít příčinu. Čištění jednotlivých komponent je samozřejmě jen první krok. Poté je třeba je zabalit, aby se znovu neznečistily. To zní banálně, ale je to velmi náročné. Obalový materiál by se mohl uvolnit a způsobit novou kontaminaci. Nejlepší zkušenosti mají nerezové nádoby, které jsou speciálně vyrobené. V nich mohou součástky klidně ležet roky, než se konečně dostanou do vesmíru.

Kolik úsilí experti při čištění vynaloží, bylo možné vidět v listopadu minulého roku. Fraunhofer IPA mělo za úkol vyčistit všech 13 000 dílů satelitu pro pozemní sledování. Největším byl hliníkový segment, který byl během měsíců vyřezán z masivního bloku vážícího čtyři centy. Při čištění této jemné konstrukce museli být velmi opatrní, aby nedošlo ani k nejmenšímu poškození. Samotná tato hliníková konstrukce stála zaměstnance institutu hodně práce. Při předběžném čištění těžkého dílu by musela být odtržena filtrační střecha čistého prostoru, což by znemožnilo použití stropního jeřábu. Ideální proudění vzduchu by však již nebylo zajištěno. Pomohla dočasná dekontaminační komora, která splnila nejvyšší požadavky na čistotu i na zatížení. Čas byl velmi důležitý, aby se nezpomalil harmonogram projektu. Během týdne byl dočasný čistý prostor o velikosti malého rodinného domu zřízen.

Široké spektrum služeb Fraunhofer IPA umožňuje v případě potřeby provést i další práce přímo na místě, například lakování. Tím se eliminuje přeprava a s tím spojené riziko opětovné kontaminace. Velké úsilí je také potřeba při hodnocení kvality čistícího procesu. Pokud jde o částice v mikro- nebo nanometrovém rozsahu a zároveň je třeba přesně určit jejich počet, jsou nutné vysoce přesné přístroje. Fraunhofer IPA zde neváhá vynaložit žádné úsilí. Plně automatický polem emisní rastrový elektronový mikroskop dokáže odhalit i nanometrové částice. Může skenovat celou plochu součástky velikosti mobilního telefonu a spočítat částice, které na ní ulpěly. K dispozici je také rastrový silový mikroskop, který povrchy prozkoumává jemnou jehlou. A termodesorpční plynový chromatograf s hmotnostní spektrometrií dokáže najít i ty nejmenší stopy organických nečistot.

Vytváření praktických norem

Jen s tímto úsilím je možné najít optimální čistící metodu pro konkrétní použití a porovnat různé metody. Proto jsou stuttgartští vědci členy příslušných komisí, které mají na starosti standardizaci čistících metod. Gommel je aktivní jak v ISO, tak v ECSS, Evropské spolupráci na standardizaci kosmických technologií. Zde je členem pracovní skupiny „Čištění“, a zde vede směrnici „Ultrapřesné čištění kosmického hardware“.

Kromě čištění může Fraunhofer IPA pomoci i v mnoha dalších důležitých oblastech, například v oblasti řízení energie. Spolehlivý zdroj energie je klíčový pro úspěch mise. Nejnovějším příkladem je ztráta signálu k mini-laboratoři „Philae“, když mu krátce po přistání na kometě „Tchuri“ došla energie.

Pokud jde o roli Fraunhofer IPA v letectví a kosmonautice, Gommel rád mluví o „Skrytém šampionovi“. Tak se cítil, když před sedmi lety ESA předčila konkurenci a oslovila právě je. To platí pravděpodobně dodnes. Protože „Skrytý šampion“ znamená nejen tajného vítěze, ale také neznámého světového lídra.