Rein en todo

Prelimpieza de un componente pesado de satélite (Fuente: Fraunhofer IPA)

Etiquetas NFC para el seguimiento de la limpieza de componentes (Fuente: Fraunhofer IPA) / Etiquetas NFC para rastrear la limpieza de componentes (Fuente: Fraunhofer IPA)

Prüfung der mikrobakteriellen Sterilität eines Bauteils zum Schutz der Planeten vor Keimübertragung (Quelle: Fraunhofer IPA) / Evaluación de la esterilidad microbacteriana de un componente para proteger los planetas de la contaminación por gérmenes. (Fuente: Fraunhofer IPA)

IPA.Valve – La válvula controlada por magnetismo (Fuente: designarmada, Foto: Jens Kramer) / Figura 4: IPA.Valve – La válvula controlada por magnetismo (Origen: designarmada, Foto: Jens Kramer)

Suministro de energía fiable – imprescindible para la aeroespacial (Fuente: Fraunhofer IPA, Foto: Heike Quosdorf) / Figura 5: Suministro de energía fiable – una necesidad absoluta para los viajes espaciales (Fuente: Fraunhofer IPA, Foto: Heike Quosdorf)

Rover ExoMars (Fuente: ESA) / Rover ExoMars (Fuente: ESA)

Componentes que se emplean en una misión espacial deben estar limpiados con meticulosidad. El IPA de Fraunhofer ha ganado en estos años un nombre, principalmente porque no solo limpia, sino que también puede hacer declaraciones precisas sobre la calidad de su trabajo. Para ello, el instituto de Stuttgart dispone de instrumentos de análisis de alta precisión. Además, cuenta con los laboratorios de salas limpias más sofisticados del mundo.

Todo empezó con una solicitud sorprendente. La Agencia Espacial Europea ESA quería saber si el IPA de Fraunhofer era capaz de esterilizar diferentes componentes de una misión a Marte. Udo Gommel, jefe del área de «Electrónica y Microtecnología», no confiaba mucho en poder abordar esta tarea exigente. Porque no era el único consultado. Además, no podía presentar experiencia previa en aeroespacial. «Pensé que, como técnico de producción, me echarían enseguida», recuerda. Sin embargo, tenía experiencia en la limpieza de componentes electrónicos delicados, por ejemplo, en la industria de semiconductores o en tecnología médica. Además, podía presumir de uno de los laboratorios de salas limpias más avanzados del mundo. Y eso fue decisivo: consiguió el trabajo. Esto fue hace siete años. Actualmente, la aeroespacial se ha convertido en una base sólida en su campo. Actualmente, hay unos 20 proyectos en marcha con diferentes enfoques. «Una vez que te metes en la industria, te pasan de mano en mano», dice Gommel. Siempre que se trata de cuestiones especialmente difíciles, cuando las soluciones comerciales no funcionan y se requiere investigación, los de Stuttgart están en carrera.

La seguridad tiene máxima prioridad

En aeroespacial, la seguridad es la máxima prioridad, porque está en juego la vida de las personas y mucho dinero. Si un avión se estrella, mueren cientos de pasajeros. Y una misión espacial suele costar tanto como un rascacielos entero. Dado que un satélite no tripulado, una vez lanzado, no puede ser reparado, incluso la falla de un componente de centavo puede conducir a un desastre total. Entonces, todos los esfuerzos son en vano y los científicos deben esperar años para una misión de reemplazo. «Failure is not an option», dice en aeroespacial. Ningún componente, ningún aparato puede fallar. La contaminación juega un papel muy especial en esto. Porque la suciedad es un veneno para todos los materiales: puede bloquear la mecánica, causar cortocircuitos o estropear la electrónica. Es especialmente delicado cuando se trata de una sonda que busca rastros de vida en un planeta extranjero. Precisamente eso es lo que persigue la misión europea a Marte «ExoMars», en la que los de Stuttgart todavía trabajan. En 2018, «ExoMars» debe lanzarse. Una nave de aterrizaje llegará al planeta vecino y enviará un vehículo del tamaño de un Smart. Para que sus sensores, que buscan vida, funcionen de manera confiable, no debe transportar material orgánico de la Tierra. De lo contrario, le pasaría lo mismo que a su predecesor estadounidense «Curiosity», que en 2012 reportó un éxito. Los expertos analizaron durante meses las sustancias encontradas con instrumentos a bordo, hasta que llegaron a la conclusión de que se trataba de una falsa alarma: los dispositivos detectaron contaminaciones terrestres. Para evitar tales fallos, todos los componentes deben estar absolutamente libres de gérmenes. Ni siquiera restos de microbios muertos pueden quedar en las grietas. Por motivos ecológicos, tal pedantería ya forma parte integral del programa espacial. Instituciones como la ESA y la NASA se han comprometido en el «Programa de Protección Planetaria» a no transportar gérmenes de la Tierra a otros planetas. Además, deben tomar precauciones para que sustancias peligrosas de otros mundos no lleguen a la Tierra, en caso de que se planifique un regreso. Escenas eufóricas como en 1969 serían hoy impensables. Entonces, los primeros astronautas lunares, apenas regresaron, fueron abrazados por muchas personas entusiastas. Y entregaron al entonces presidente Richard Nixon una caja con muestras de la luna. Ahora, existe un «Responsable de Seguridad Planetaria» específico que vigila que no vuelva a ocurrir algo así y que se cumplan todas las reglas. En Stuttgart, a menudo lo visitan.

El sala limpia más puro del mundo

Para esterilizar de manera confiable el rover marciano, los expertos de Stuttgart diseñaron un sala limpia para la ESA y la instalaron en Noordwijk, en los Países Bajos, sede del Centro Europeo de Investigaciones y Tecnologías Espaciales (ESTEC). Porque una limpieza segura solo es posible en una sala limpia, de lo contrario, las innumerables partículas de polvo en el aire causarían contaminación de inmediato. La sala limpia más avanzada del mundo se encuentra en el Fraunhofer IPA. Cumple con los requisitos de pureza más altos, la clase ISO 1. Esto significa que un metro cúbico de aire no puede contener más de 10 partículas de 0,1 micrómetros de tamaño. En una sala de clase ISO 9, con una calidad de limpieza relativamente menor, serían 10^9 partículas, es decir, mil millones de veces más. En el aire de la ciudad, hay alrededor de 10^13 partículas en cada metro cúbico, y aún más en zonas de smog. Para mantener el nivel de pureza más alto, se requiere un esfuerzo considerable. Los visitantes lo notan al entrar en el edificio del IPA: justo tras la puerta, un umbral de rodillas bloquea el paso. Antes de cruzarlo, deben ponerse sobrebotas de plástico. No se permite fumar en todo el edificio. Sin embargo, estas precauciones solo reducen la cantidad de partículas en un factor 10.

Las salas limpias propiamente dichas, accesibles solo a través de vestuarios, están herméticamente cerradas: una especie de casa dentro de otra. Se ven a los científicos en sus trajes estériles detrás de altas paredes de vidrio manipulando. En el interior, hay una ligera sobrepresión para que no entre aire sin filtrar. Además, una corriente de aire laminar, que va del techo al suelo, asegura que no queden partículas de polvo en la habitación. Con una velocidad de flujo de 50 centímetros por segundo, todo el aire de la sala se renueva en pocos segundos. Las partículas que se generan, por ejemplo, al frotar los guantes, desaparecen rápidamente en el suelo perforado. Para evitar turbulencias que puedan alterar el intercambio de aire, los ingenieros prescindieron de un puente de techo. Todo el techo está cubierto de filtros. Y el suelo está elevado para absorber el aire limpio. En este entorno ultralimpio, incluso se puede medir cuánto desgaste se produce al mover un brazo robótico o un cable. Sistemas similares de clase ISO 1 solo existen en Holanda y Rumanía, ambos diseñados por expertos del IPA. Sin embargo, los de Stuttgart son los más grandes. El más imponente tiene una altura de 6,50 metros. Su suelo elevado puede soportar una carga de 6 toneladas por metro cuadrado, lo que lo hace único en el mundo.

Nieve de dióxido de carbono y procedimientos ultrasónicos

Para esterilizar el rover marciano, se ha desarrollado un método que fue inventado y patentado por el IPA de Fraunhofer. En realidad, es una evolución de un procedimiento originalmente utilizado en EE. UU. para eliminar la pintura de los cascos de aviones. Un chorro de cristales de tamaño de granos de arroz, de dióxido de carbono congelado, remueve la pintura del metal como si fuera un chorro de arena. Los de Stuttgart perfeccionaron mucho esta técnica. En lugar de cristales de hielo, usan nieve de dióxido de carbono. La clave: el chorro que sale de la boquilla se acelera adicionalmente con un chorro de nitrógeno envolvente. Así, penetra en todas las grietas y elimina incluso las contaminaciones más pequeñas. Cuando las diminutas copos de nieve impactan en la superficie relativamente caliente, se vuelven gaseosos, expandiendo su volumen de manera explosiva hasta 800 veces. La presión de detonación elimina toda suciedad, incluso huellas dactilares, que el gas frío había fragilizado previamente. La única desventaja: el dióxido de carbono es caro. Por 1000 euros, solo se consiguen unos 30 kilos, y eso dura apenas diez minutos. Por eso, el IPA de Fraunhofer instaló una planta de recuperación que costó solo 800,000 euros.

El disparo de dióxido de carbono es solo una de las muchas formas de limpiar componentes industriales. Existen unas tres docenas de procedimientos adicionales en los que el IPA invierte actualmente en su desarrollo. Desde limpieza con paño o lavado, hasta limpieza por plasma. Algunos métodos, como el ultrasónico, requieren un medio húmedo o líquido, por lo que no son adecuados para componentes electrónicos o eléctricos. Otros, como el método de dióxido de carbono, trabajan en seco y son especialmente suaves. Hay limpiezas gruesas y finas, previas y finales. La elección del método depende de los requisitos de pureza y del tipo de componente. La industria de semiconductores impone los estándares más altos, ya que las estructuras en los chips son ahora tan pequeñas que incluso una partícula de pocos nanómetros puede causar un cortocircuito. La industria automotriz es menos estricta. Aquí, solo las partículas de más de 200 micrómetros se consideran críticas, principalmente por las contaminaciones metálicas. La aeroespacial se sitúa en un punto intermedio, generalmente con partículas de un micrómetro.

Componentes de millones de euros: limpieza en tiempo récord

Pero en la aeroespacial, la meticulosidad en otro aspecto es aún mayor. Cada componente se trabaja individualmente, desde el marco de aluminio hasta la arandela. La producción en línea no funciona en este campo. Cada paso se documenta minuciosamente. En el futuro, se planea usar etiquetas NFC que almacenan información sobre el estado de cada componente. Esto permitirá reconstruir el proceso de fabricación y montaje, incluso para una pequeña pieza, y así detectar la causa en caso de fallo. La limpieza de los componentes no es suficiente. Luego, deben ser empaquetados para evitar que se vuelvan a contaminar. Esto puede parecer trivial, pero también es muy exigente. Porque el material de embalaje podría liberar partículas y causar contaminación. Los recipientes de acero inoxidable especialmente fabricados han demostrado ser los más efectivos. En ellos, los componentes pueden permanecer años hasta que un satélite pueda despegar finalmente.

El esfuerzo que los expertos dedican a la limpieza se pudo ver en noviembre pasado. El IPA de Fraunhofer tuvo que limpiar los 13,000 componentes de un satélite de observación terrestre. La pieza más grande era un segmento de aluminio, fresado en meses a partir de un bloque macizo de 4 toneladas de peso. La limpieza de esta estructura delicada requirió mucho cuidado para evitar cualquier daño mínimo. Solo esa estructura de aluminio costó mucho esfuerzo a los empleados del instituto. Para la pre-limpieza de la pieza pesada, la cubierta de filtros del sala limpia habría tenido que abrirse para usar un puente de techo. Pero eso comprometería la circulación de aire óptima. Se improvisó una celda de descontaminación provisional que cumplía con los requisitos de limpieza más estrictos y resolvía el problema de carga. Se actuó con rapidez para no poner en riesgo el apretado calendario del proyecto. En una semana, se construyó una sala limpia temporal del tamaño de una pequeña casa.

La amplia gama de servicios del IPA permite, incluso si es necesario, realizar pasos adicionales en el lugar, como pintar. Así, se evita el transporte y se elimina el riesgo de contaminación adicional. También se requiere mucho esfuerzo para evaluar la calidad de un proceso de limpieza. Cuando se trata de partículas en el rango de micro o nanómetros, y además se quiere conocer su cantidad exacta, se necesitan instrumentos de alta precisión. El IPA de Fraunhofer no escatima esfuerzos en esto. Un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo totalmente automático puede detectar partículas incluso de tamaño nanométrico. Puede escanear toda la superficie de una pieza del tamaño de un teléfono móvil y contar las partículas adheridas. También hay un microscopio de fuerza de barrido que recorre las superficies con una aguja fina. Y un cromatógrafo de gases acoplado a espectrometría de masas que detecta las trazas más pequeñas de contaminantes orgánicos.

Establecer estándares prácticos

Solo con este esfuerzo es posible encontrar el proceso de limpieza óptimo para aplicaciones específicas y comparar diferentes métodos de limpieza. Por eso, los científicos de Stuttgart participan en los comités responsables de la estandarización de los métodos de limpieza. Gommel trabaja tanto para la ISO, la Organización Internacional de Normalización, como para la ECSS, la Cooperación Europea en Normas Espaciales. En estos ámbitos, forma parte del grupo de trabajo «Limpieza», y lidera la hoja de directrices «Limpieza de precisión ultrafina en hardware de vuelo».

Más allá de la limpieza, el IPA de Fraunhofer también puede apoyar en muchas otras áreas importantes, como la gestión energética. Un suministro de energía confiable es crucial para el éxito de una misión. El ejemplo más reciente es la pérdida de señal del mini laboratorio «Philae», cuando, poco después del aterrizaje en el cometa «Tschuri», se quedó sin energía.

En lo que respecta al papel del IPA de Fraunhofer en aeroespacial, Gommel suele referirse a él como el «Campeón oculto». Así se sintió cuando la ESA lo eligió por encima de la competencia hace siete años. Probablemente, eso sigue siendo válido. Porque «Campeón oculto» no solo significa un ganador secreto, sino también un líder mundial desconocido.