Rein dans tout

Pré-nettoyage d'une pièce massive de satellite (Source : Fraunhofer IPA) / Pré-nettoyage d'une pièce lourde de satellite (Source : Fraunhofer IPA)

Balises NFC pour le suivi de la propreté des composants (Source : Fraunhofer IPA) / Étiquettes NFC pour le traçage de la propreté des composants (Source : Fraunhofer IPA)

Vérification de la stérilité microbactérienne d'un composant pour protéger les planètes contre la transmission de germes (Source : Fraunhofer IPA) / Évaluation de la stérilité microbactérienne d'un composant afin de protéger les planètes contre la contamination par des germes. (Source : Fraunhofer IPA)

IPA.Valve – La valve contrôlée par magnétisme (Source : designarmada, Photo : Jens Kramer) / Figure 4 : IPA.Valve – La valve contrôlée par magnétisme (Source : designarmada, Photo : Jens Kramer)

Fourniture d'énergie fiable – indispensable pour l'aéronautique et l'espace (Source : Fraunhofer IPA, Photo : Heike Quosdorf) / Figure 5 : Approvisionnement énergétique fiable – une nécessité absolue pour le voyage spatial (Source : Fraunhofer IPA, Photo : Heike Quosdorf)

Rover ExoMars (Source : ESA) / Rover ExoMars (Source : ESA)

Les composants utilisés lors d'une mission spatiale doivent être nettoyés avec une précision extrême. L'IPA de Fraunhofer a rapidement acquis une réputation dans ce domaine — principalement parce qu'il ne se contente pas de nettoyer, mais peut également fournir des déclarations précises sur la qualité de son travail. À cet effet, l'institut de Stuttgart dispose d'appareils d'analyse de haute précision. De plus, il possède les salles blanches les plus sophistiquées au monde.

Tout a commencé par une demande surprenante. L'Agence spatiale européenne ESA voulait savoir si l'IPA de Fraunhofer était capable de stériliser différentes pièces d'une mission martienne. Udo Gommel, responsable du domaine « Électronique et Microtechnologies », ne pensait pas avoir beaucoup de chances de pouvoir relever cette tâche exigeante. Car il n'était pas le seul sollicité. De plus, il ne pouvait pas faire valoir d'expérience dans l'aérospatiale. « Je pensais qu'en tant que technicien de production, je serais vite recalé », se souvient-il. Cependant, il connaissait le nettoyage de composants électroniques délicats, par exemple dans l'industrie des semi-conducteurs ou la technologie médicale. En outre, il pouvait compter sur l'un des laboratoires de salles blanches les plus performants au monde. Et cela a finalement fait la différence : il a obtenu le poste. C'était il y a sept ans. Depuis, l'aérospatiale est devenue une activité stable dans son domaine. Actuellement, une vingtaine de projets avec des axes différents sont en cours. « Une fois que l'on a mis le pied dans le secteur, on est rapidement sollicité », explique Gommel. Chaque fois qu'il s'agit de questions particulièrement difficiles, lorsque des solutions commerciales ne suffisent pas et que la recherche est nécessaire, les Stuttgart sont en lice.

La sécurité en priorité absolue

Dans l'aérospatiale, la sécurité est la priorité absolue, car il en va de la vie des personnes — et de sommes importantes. Si un avion s’écrase, des centaines de passagers périssent. Et une mission spatiale coûte souvent aussi cher qu’un gratte-ciel entier. Comme une sonde non habitée, une fois lancée, ne peut plus être réparée, une défaillance d’un composant minuscule peut entraîner une catastrophe. Alors, tous les efforts sont vains et les scientifiques doivent attendre des années pour une mission de remplacement. « L’échec n’est pas une option », dit-on dans l’aérospatiale. Aucun composant, aucune unité ne doit échouer. Les contaminations jouent un rôle particulièrement important. Car la saleté est un poison pour tous les matériaux : elle peut bloquer la mécanique, provoquer un court-circuit ou perturber l’électronique. La situation devient encore plus critique lorsqu’il s’agit d’une sonde cherchant des traces de vie sur une planète étrangère. C’est précisément ce que vise la mission martienne européenne « ExoMars », à laquelle les Stuttgart travaillent toujours. En 2018, « ExoMars » doit décoller. Un atterrisseur doit alors se poser sur la planète voisine et envoyer un véhicule de la taille d’une Smart. Pour que ses capteurs, qui recherchent la vie, fonctionnent de manière fiable, il ne doit pas importer de matière organique de la Terre. Sinon, il risquerait de connaître le même sort que son prédécesseur américain « Curiosity », qui a signalé un succès en 2012. Les experts ont analysé pendant des mois les substances trouvées avec des moyens embarqués — jusqu’à ce qu’ils concluent qu’il s’agissait d’une fausse alarme : les appareils avaient détecté des contaminations terrestres. Pour éviter de telles pannes, tous les composants doivent être absolument stériles. Même les résidus de micro-organismes morts ne doivent pas s’accrocher dans les fissures. Pour des raisons écologiques, cette rigueur est désormais une règle en aérospatiale. Des institutions comme l’ESA et la NASA se sont engagées dans le « Programme de protection planétaire » pour ne pas importer de germes de la Terre sur d’autres planètes. De plus, elles doivent prendre des précautions pour que des substances risquées provenant d’autres mondes ne soient pas ramenées sur Terre — en cas de retour prévu. Des scènes euphoriques comme en 1969 seraient aujourd’hui inimaginables. À l’époque, les premiers astronautes lunaires, à peine de retour, étaient embrassés par de nombreux enthousiastes. Et ils remettaient au président de l’époque, Richard Nixon, une petite boîte contenant des échantillons de roche lunaire. Aujourd’hui, un « Responsable de la sécurité planétaire » spécial veille à ce que cela ne se reproduise plus et que toutes les règles soient respectées. Il est souvent invité à Stuttgart.

La salle blanche la plus pure du monde

Pour pouvoir stériliser de manière fiable le rover martien, les experts de Stuttgart ont conçu pour l’ESA une salle blanche installée à Noordwijk, aux Pays-Bas, siège du Centre européen de recherche et de technologie spatiale (ESTEC). En effet, un nettoyage sécurisé n’est possible que dans une salle blanche, sinon les innombrables particules de poussière en suspension dans l’air provoqueraient immédiatement une nouvelle contamination. La salle blanche la plus sophistiquée au monde se trouve à l’IPA de Fraunhofer. Elle répond aux exigences de pureté les plus strictes, la classe ISO 1. Cela signifie qu’un mètre cube d’air ne doit contenir pas plus de 10 particules de 0,1 micromètre de diamètre. Dans une salle de classe ISO 9, une salle blanche de qualité inférieure, il y aurait 10^9 particules, soit un milliard de fois plus. Dans l’air de la ville, on trouve environ 10^13 particules par mètre cube, et encore plus en cas de smog. Pour respecter le plus haut niveau de pureté, il faut déployer de grands efforts. Le visiteur s’en rend compte dès qu’il entre dans le bâtiment de l’IPA : juste derrière la porte, un seuil en hauteur bloque le passage. Avant de le franchir, il doit enfiler des surchaussures en plastique. Il n’est pas question de fumer dans tout le bâtiment. Ces précautions réduisent toutefois le nombre de particules d’un facteur 10.

Les véritables salles blanches, accessibles uniquement par sas, sont hermétiquement fermées : une sorte de maison dans la maison. On voit les scientifiques en combinaisons stériles derrière de hautes parois en verre. À l’intérieur, une légère surpression empêche l’entrée d’air non filtré. De plus, un flux d’air laminaire, qui va du plafond au sol, garantit qu’aucune poussière ne reste dans la pièce. À une vitesse de 50 centimètres par seconde, l’air de la pièce est entièrement renouvelé en quelques secondes. Les particules, comme celles qui se forment lorsqu’un scientifique frotte ses gants, disparaissent rapidement dans le sol perforé. Pour éviter toute turbulence, qui perturberait l’échange d’air, les ingénieurs ont renoncé à un pont roulant au plafond. Tout le plafond est recouvert de filtres. Et le sol est surélevé pour permettre une aspiration d’air propre. Dans cet environnement ultrapropre, il est même possible de mesurer la quantité d’abrasion lors du déplacement d’un bras robotique ou d’un câble. Des installations similaires de classe ISO 1 existent dans le monde uniquement aux Pays-Bas et en Roumanie. Les deux ont été conçues par des experts de l’IPA. Les salles blanches de Stuttgart sont toutefois les plus grandes. La plus imposante a une hauteur de 6,50 mètres. Son sol surélevé peut supporter une charge de 6 tonnes par mètre carré, ce qui la rend unique au monde.

Neige de dioxyde de carbone et procédé par ultrasons

Pour stériliser le rover martien, une méthode développée et brevetée par l’IPA de Fraunhofer s’est avérée efficace. Il s’agit en réalité d’une évolution. La méthode a été initialement utilisée aux États-Unis pour enlever la peinture des fuselages d’avions. Un faisceau dur de cristaux de dioxyde de carbone congelé, de la taille de grains de riz, pulvérise la peinture du métal. Les Stuttgart ont considérablement amélioré cet instrument grossier. Au lieu de cristaux de glace, ils utilisent de la neige de dioxyde de carbone. La particularité : le jet, qui sort de la buse, est également accéléré par un flux d’azote enveloppant. Ainsi, il pénètre dans toutes les fissures et élimine même les plus petites saletés. Dès que les minuscules flocons de neige touchent la surface relativement chaude, ils se transforment en gaz, leur volume doublant de façon explosive, jusqu’à 800 fois. La pression de détonation élimine toute saleté, y compris les empreintes digitales, que le gaz froid avait auparavant fragilisées. Le seul inconvénient : le dioxyde de carbone est coûteux. Pour 1000 euros, on n’obtient que 30 kilogrammes — qui disparaissent en seulement dix minutes. L’IPA de Fraunhofer a donc installé une unité de traitement, qui a coûté à elle seule 800 000 euros.

Le bombardement par dioxyde de carbone n’est qu’une des nombreuses méthodes pour nettoyer des composants industriels. Une trentaine d’autres procédés sont également en cours de développement intensif à l’IPA. Cela va du nettoyage par chiffon ou lavage à la purification par plasma. Certains procédés, comme celui par ultrasons, nécessitent un milieu humide ou liquide. Ils ne conviennent donc pas aux composants électroniques ou électriques. D’autres, comme la méthode par dioxyde de carbone, fonctionnent à sec — ce qui est particulièrement doux. Il existe des nettoyages grossiers et fins, des pré- et des nettoyages finaux. Le choix de la méthode dépend des exigences en matière de pureté et du type de composant. L’industrie des semi-conducteurs impose les normes les plus strictes, étant devenue un moteur en matière de technologie de nettoyage. En effet, les structures sur les puces sont désormais si minuscules qu’un seul particule de quelques nanomètres peut provoquer un court-circuit. Dans l’industrie automobile, les exigences sont moins strictes. Seules les particules de plus de 200 micromètres sont considérées comme critiques, surtout en raison des contaminations métalliques. La recherche spatiale se situe entre les deux. En général, la taille des particules admise est d’un micromètre.

Composant de plusieurs millions d’euros : nettoyage en un temps record

Cependant, dans l’aérospatiale, la rigueur est encore plus extrême. Chaque pièce est traitée individuellement, du cadre en aluminium à la rondelle. Le travail à la chaîne est impensable dans ce domaine. Chaque étape est soigneusement documentée. À l’avenir, des étiquettes NFC devraient aider. Elles stockent des informations sur l’état de traitement de chaque pièce. Cela permet de retracer le parcours d’une petite vis, de la fabrication à l’assemblage final. C’est la seule façon de pouvoir identifier la cause d’un dysfonctionnement. Le nettoyage des composants ne suffit pas. Ensuite, ils doivent être emballés pour éviter toute nouvelle contamination. Cela peut sembler trivial, mais c’est aussi très exigeant. En effet, le matériau d’emballage pourrait libérer des particules et provoquer une nouvelle contamination. Les contenants en acier inoxydable, spécialement fabriqués, se sont révélés les plus efficaces. Parfois, les composants y restent stockés pendant des années, jusqu’à ce qu’un satellite puisse enfin décoller.

La quantité d’efforts déployés par les experts pour le nettoyage a été visible en novembre dernier. L’IPA devait nettoyer les 13 000 pièces d’un satellite d’observation de la Terre. La plus grande était un segment en aluminium, usiné en plusieurs mois à partir d’un bloc massif de 4 quintaux. Le nettoyage de cette structure délicate a nécessité une grande précision pour éviter la moindre détérioration. À lui seul, cet assemblage en aluminium a coûté beaucoup de travail aux employés de l’institut. Pour le pré-nettoyage de cette pièce lourde, la couverture filtrante de la salle blanche aurait dû être déchirée pour permettre l’utilisation d’un pont roulant. Mais cela aurait compromis la circulation de l’air. Une solution provisoire a été une enceinte de décontamination, qui répondait aux exigences de propreté maximale et aux contraintes de charge. La course contre la montre était lancée pour respecter le calendrier serré du projet. En une semaine, la salle blanche temporaire, de la taille d’une petite maison, a été mise en place.

La large gamme de services de l’IPA permet même, si nécessaire, d’effectuer d’autres opérations sur place, comme la peinture. Cela évite le transport et élimine le risque de nouvelle contamination. Il faut également beaucoup d’efforts pour évaluer la qualité d’un procédé de nettoyage. Lorsqu’il s’agit de particules de l’ordre du micromètre ou du nanomètre, et que l’on souhaite connaître leur nombre précis, des appareils de haute précision sont indispensables. L’IPA ne recule devant aucun effort. Un microscope électronique à balayage à émission de champ entièrement automatisé peut détecter des particules de quelques nanomètres. Il peut balayer toute la surface d’un composant de la taille d’un téléphone portable et compter les particules qui y adhèrent. Un microscope à force atomique, également à Stuttgart, explore les surfaces avec une fine aiguille. Et un chromatographe en phase gazeuse couplé à un spectromètre de masse détecte même les traces les plus infimes de contaminants organiques.

Établir des normes pratiques

Ce n’est qu’avec ces efforts qu’il est possible de déterminer la méthode de nettoyage optimale pour une application donnée et de comparer différents procédés. C’est pourquoi les chercheurs de Stuttgart participent aux comités responsables de la normalisation des méthodes de nettoyage. Gommel intervient à la fois pour l’ISO, l’Organisation internationale de normalisation, et pour l’ECSS, la Coopération européenne pour la normalisation spatiale. Il siège dans le groupe de travail « Nettoyage », et dirige la fiche technique « Nettoyage de précision extrême du matériel de vol ».

Au-delà du nettoyage, l’IPA de Fraunhofer peut également soutenir dans de nombreux autres domaines importants, comme la gestion de l’énergie. Une alimentation fiable en énergie est essentielle pour le succès d’une mission. Le dernier exemple en date est la perte de signal avec le mini-laboratoire « Philae », lorsque, peu après l’atterrissage sur la comète « Tchouri », l’alimentation électrique a été coupée.

En ce qui concerne le rôle de l’IPA de Fraunhofer dans l’aérospatiale, Gommel parle volontiers de « champion caché ». C’est ainsi qu’il s’est senti lorsque l’ESA l’a préféré à la concurrence il y a sept ans. Cela reste probablement vrai encore aujourd’hui. Car « champion caché » ne désigne pas seulement un gagnant discret, mais aussi un leader mondial méconnu.