La nieve garantiza la limpieza en las misiones espaciales

Ya que incluso las partículas de polvo más pequeñas o restos de fabricación pueden afectar el rendimiento de los satélites, se deben cumplir requisitos de limpieza extremadamente altos. (Fuente de la imagen: OHB System)

Para limpiar las estructuras de CFRP de los satélites – aquí con el arnés de cables integrado y componentes térmicos – OHB System y acp han diseñado una solución que permite demostrar la limpieza durante el proceso de limpieza. (Crédito de la foto: OHB System)

Gracias a los dos punteros láser integrados en la cabeza de la boquilla, se puede establecer la distancia óptima respecto a las superficies internas a limpiar. (Fuente de la imagen: OHB System)

El deflector se coloca en la horquilla de la máquina de limpieza mediante una grúa. Un sistema de cámaras integrado en la cabeza de la boquilla muestra en vivo todo el proceso de limpieza en la pantalla. (Crédito de la foto: acp systems)

La cabeza de boquilla giratoria está montada en una lanza, a través de las cuales se succionan las contaminaciones eliminadas. La prueba de limpieza se realiza mediante un contador de partículas integrado en el flujo de aire de escape. (Crédito de la foto: acp Systems)

Cuando se trata del rendimiento de los satélites y su exitosa utilización en el espacio, las partículas de polvo más pequeñas o los residuos de fabricación particulados pueden ser decisivos. Un jugador global de la industria aeroespacial internacional utiliza con la tecnología de chorros de nieve quattroClean una solución para la limpieza interior de estructuras recubiertas de baffes y de fibra de carbono (CFK), con y sin arnés de cables integrado, que permite realizar una prueba simultánea del resultado de la limpieza.

El grupo aeroespacial y tecnológico familiar, cotizado en bolsa, OHB SE, es uno de los 3 principales actores de la industria espacial europea. Dividido en las áreas de negocio Space Systems, Aerospace y Digital, la compañía emplea a unas 2.800 personas. Como la filial más grande, OHB System AG, con sede en Bremen y otra en Oberpfaffenhofen, cuenta con más de cuatro décadas de experiencia en el desarrollo de soluciones de alta tecnología para la industria espacial y otros campos de aplicación, donde los materiales compuestos como el CFK desempeñan un papel importante. La cartera de productos y servicios de la empresa incluye la realización de sistemas satelitales completos para la observación de la Tierra, navegación, telecomunicaciones, ciencia y reconocimiento, así como la planificación y ejecución de misiones para la exploración del espacio y el desarrollo de sistemas para la exploración espacial tripulada. Como empresa de sistemas, OHB System colabora con empresas nacionales e internacionales líderes para integrar tecnologías en nuevas soluciones.

Cumplir y demostrar altas especificaciones de limpieza

Esto también es aplicable en el campo de las tecnologías de limpieza. Porque en el lugar equivocado, incluso los residuos particulados mínimos de fabricación pueden afectar el rendimiento de una misión, por la cual la empresa asume la responsabilidad. «Por eso, hace once años creamos el área de Limpieza y Control de Contaminación. Actualmente, once expertos se ocupan de la limpieza a lo largo de toda la cadena de procesos y de la ingeniería de contaminación, la demostración de limpieza, la simulación de fenómenos de transferencia de contaminación y la limpieza en el sector de alta tecnología», informa el Dr. Axel Müller, experto principal en control de contaminación en OHB System. En 2016, se comenzó a calificar internamente la tecnología de chorro de nieve con CO2 como método de limpieza para la industria espacial. Se trataba de limpiar arneses de cables y componentes estructurales de CFK con un diámetro de aproximadamente 2.000 x 2.000 mm, equipados con un recubrimiento negro especial que absorbe la luz. Este denominado baffe permite que solo la luz a detectar o la información de imagen deseada se dirija a componentes ópticos como espejos, lentes y detectores. «Por ejemplo, si solo unos pocos partículas caen sobre el espejo debido a las vibraciones durante el lanzamiento, se generan reflejos de luz que distorsionan la imagen y pueden significar el fracaso de la misión», explica Axel Müller. «Para nosotros, el desafío no solo consiste en limpiar el baffe interior sin daños, de modo que no queden partículas mayores de diez micrómetros, sino también en demostrarlo. Y esta demostración suele ser extremadamente laboriosa, consume mucho tiempo y es costosa.» Basándose en la tecnología escalable de chorro de nieve con tecnología de nieve de acp systems AG, se diseñó conjuntamente una solución de limpieza adecuada e integrada en una sala limpia ISO 3.

Cuatro efectos para superficies extremadamente limpias

El método seco de quattroClean utiliza dióxido de carbono líquido, neutro en emisiones de carbono, como medio de limpieza, que se dirige mediante un anillo de doble fase sin desgaste. Al salir de la boquilla, el dióxido de carbono se relaja en una nieve fina de CO2, que se agrupa en un chorro de aire comprimido en forma de anillo y se acelera a velocidad supersónica. El chorro de nieve enfocado desarrolla al impactar en la superficie a limpiar una combinación de efectos térmicos, mecánicos, solventes y de sublimación. Gracias a la interacción de estos cuatro mecanismos de acción, se eliminan de forma segura y reproducible contaminantes particulados incluso en el rango submicrométrico y contaminaciones en película. El dióxido de carbono cristalino se sublima completamente durante el proceso, dejando las superficies limpias y secas.

Limpieza en sala limpia con demostración de limpieza en vivo

En contraste con el CO2, que después de la limpieza permanece en estado gaseoso, los residuos de fabricación y el polvo eliminados no se disuelven. Esto llevó a los expertos en limpieza a la idea de realizar la demostración de limpieza en paralelo. «Para ello, rodeamos la pieza durante la limpieza con un flujo de aire puro que aleja las contaminaciones eliminadas de la pieza hacia la aspiración. Hemos integrado un contador de partículas en este flujo de aire, que muestra en tiempo real cuántas partículas de qué tamaño hay», informa Axel Müller. La clase de sala limpia se ve afectada por la actividad de medición. La medición del número de partículas por volumen permite demostrar que, tras una interrupción en la limpieza con CO2, la pureza de la sala limpia se restablece rápidamente. Luego, se inicia el siguiente paso de limpieza. En este proceso, las contaminaciones restantes en cantidad y distribución de tamaño se reducen continuamente mediante la acción de limpieza y se documentan al mismo tiempo. Estos ciclos de limpieza y regeneración se repiten tantas veces como sea necesario hasta que el baffe cumpla con las especificaciones de limpieza requeridas en cuanto a contaminación residual aceptable y distribución de tamaño de partículas. «Hasta donde sé, la tecnología de chorro de nieve con tecnología de nieve quattroClean es el único método de limpieza que permite mostrar en vivo el resultado de la limpieza», comenta Axel Müller.

Automatizador de limpieza complejo

Basándose en estos resultados y en la calificación ya lograda de la solución de limpieza para aplicaciones espaciales, acp diseñó un robot de limpieza para la limpieza interior de las grandes estructuras de CFK ya montadas y semi-cerradas de tres diferentes baffes, en versión de alta pureza. Esto incluye, entre otros, un sistema de preparación de medios para dióxido de carbono líquido, que garantiza una pureza del 99,995 por ciento, y la calidad del aire comprimido, que es 1.2.1.

Los baffes, que pesan hasta 125 kg y tienen forma de un tronco de pirámide con la parte superior redondeada, se fijan en una placa de interfaz y se colocan en la grúa del equipo. Este puede moverse en las direcciones X, Y y Z. Para alcanzar todas las superficies internas de las piezas, que miden hasta 1.600 x 1.600 x 2.000 mm, la boquilla con un rango de chorro giratorio se introduce en el baffe mediante una lanza, lo escanea en forma de zigzag y rota durante el proceso. Durante la limpieza, el aire interior del baffe se aspira y los partículas contenidas se analizan en tamaño y cantidad en función del éxito de la limpieza en tiempo real.

Control de colisiones mediante gemelo digital

Las colisiones que puedan dañar las estructuras de CFK deben ser excluidas de forma segura durante la limpieza. Al mismo tiempo, se debe garantizar que cada área se limpie según los requisitos. Por ello, las secuencias de movimiento se definen individualmente para cada baffe. «Esto se realiza mediante un gemelo digital que representa la máquina, la pieza, el proceso de limpieza y el éxito de la limpieza», explica Axel Müller. Para las mediciones de distancia, la boquilla está equipada con un sensor ultrasónico y dos punteros láser. Además, durante la limpieza, un sistema de cámaras integrado proporciona imágenes en vivo en todo momento. La demostración de limpieza se realiza mediante contadores de partículas integrados en el flujo de aire de escape. «Con esta máquina, que probablemente sea única en el mundo, logramos limpiar los componentes con un factor de 10.000 más de limpieza que antes. Y todo esto con un ahorro de tiempo enorme, además de una mayor seguridad en el proceso y reproducibilidad», concluye Axel Müller.