Rein ins All

Előkészítés egy masszív műholdalkatrészhez (Forrás: Fraunhofer IPA)

NFC-etiketten zur Nachverfolgung der Bauteilreinheit (Quelle: Fraunhofer IPA) / NFC-etiketten zur Nachverfolgung der Bauteilreinheit (Quelle: Fraunhofer IPA)

Vizsgálat a mikrobiális sterilitásról egy alkatrészen, a bolygók védelme érdekében a mikroorganizmusok átadásával szemben. (Forrás: Fraunhofer IPA)

IPA.Valve – A mágnesesszel vezérelt szelep (Forrás: designarmada, Fotó: Jens Kramer) / Ábra 4: IPA.Valve – A mágnesesen vezérelt szelep (Forrás: designarmada, Fotó: Jens Kramer)

Megbízható energiaellátás – elengedhetetlen a légi- és űrkutatásban (Forrás: Fraunhofer IPA, Fotó: Heike Quosdorf) / Ábra 5: Megbízható energiaellátás – alapvető szükséglet az űrutazáshoz (Forrás: Fraunhofer IPA, Fotó: Heike Quosdorf)

ExoMars Rover (Forrás: ESA) / ExoMars Rover (Forrás: ESA)

Az űrmissziók során alkalmazott alkatrészeknek alaposan tisztának kell lenniük. A Fraunhofer IPA néhány év alatt ismertté vált – főként azért, mert nemcsak tisztít, hanem pontos kijelentéseket is tud tenni munkája minőségéről. Erre a Stuttgart-i intézet magas precizitású elemzőberendezésekkel rendelkezik. Emellett a világ legkorszerűbb tisztatereivel is büszkélkedhet.

Minden egy váratlan kérdéssel kezdődött. Az Európai Űrügynökség (ESA) kíváncsi volt, hogy a Fraunhofer IPA képes-e különböző Mars-misszió alkatrészeit sterilizálni. Udo Gommel, az „Elektronika és Mikroszisztéma-technológia” szakterület vezetője nem sok esélyt adott arra, hogy ezt a kihívást vállalni tudják. Mert nem ő volt az egyetlen kérdező, és ráadásul nem rendelkezett tapasztalattal a légi- és űrtechnológiában. „Azt hittem, mint gyártástechnikus, rögtön ki is rúgnak,” emlékszik vissza. Legalábbis az elektronikus finomalkatrészek tisztításában tapasztalattal rendelkezett, például félvezető- vagy orvostechnikai területen. Emellett a világ egyik legkorszerűbb tisztatér laborjával büszkélkedhetett. És ez végül döntőnek bizonyult: megkapta a feladatot. Ez hét évvel ezelőtt volt. Azóta a légi- és űrtechnológia szilárd alapként van jelen az üzletágában. Jelenleg mintegy 20 projekt fut különböző fókuszokkal. „Amikor egyszer belépsz az iparágba, máris körbeadják,” mondja Gommel. Amikor különösen nehéz kérdésekről van szó, amikor kereskedelmi megoldások nem működnek, és kutatásra van szükség, a stuttgartiak mindig versenyben vannak.

Biztonság első helyen

A légi- és űrtechnológiában a biztonság a legfontosabb, mert emberéletekről és nagy pénzekről van szó. Egy repülőgép katasztrófája esetén több száz utas hal meg azonnal. És egy űrmisszió gyakran annyiba kerül, mint egy egész felhőkarcoló. Mivel egy robotűrszonda, egyszer elindítva, már nem javítható, egy centiméteres alkatrész meghibásodása is katasztrófát okozhat. Akkor minden erőfeszítés hiábavaló volt, és a tudósok évekig várhatnak egy pótmisszióra. Ezért mondják az űrtechnológiában: „A meghibásodás nem opció,” azaz nem megengedett. Egyetlen alkatrész vagy berendezés sem hibázhat. A szennyeződések különösen fontos szerepet játszanak ebben. Mert a szennyeződés mérgező minden anyagra: mechanikát blokkolhat, rövidzárlatot okozhat vagy zavarhatja az elektronikát. Különösen kritikus, ha egy olyan szondáról van szó, amely idegen bolygón nyomokat keres az életre. Ez a célja az európai Mars-missziónak, az „ExoMars”-nak, amellyel a stuttgartiak még mindig foglalkoznak. 2018-ban indul az „ExoMars”. Egy leszállóegység landol majd a szomszédos bolygón, és egy Smart méretű járművet küldenek. Annak érdekében, hogy a szenzorok, amelyek az élet nyomait keresik, megbízhatóan működjenek, nem szabad földi szerves anyagot behozni. Ellenkező esetben ugyanúgy járhat, mint az amerikai „Curiosity”, amely 2012-ben sikert aratott. A szakértők hónapokig analizálták a talált anyagokat a fedélzeti eszközökkel – amíg rá nem jöttek, hogy téves riasztás volt: a készülékek földi szennyeződéseket észleltek. Az ilyen hibák elkerülése érdekében minden alkatrésznek teljesen sterilnek kell lennie. Még a halott mikroorganizmusok maradványai sem szabad, hogy a résekben ragadjanak. Környezetvédelmi okokból ez a pedantéria ma már szerves része az űrkutatásnak. Olyan intézmények, mint az ESA és a NASA, a „Planetary Protection Program” keretében vállalták, hogy nem hoznak földi kórokozókat más bolygókra. Emellett gondoskodniuk kell arról is, hogy veszélyes anyagok ne jussanak vissza a Földre idegen világokról – ha űrszonda visszatérés tervezi. Az 1969-es eufórikus jelenetek ma már elképzelhetetlenek lennének. Akkor a holdutazók, alig visszatérve, sok lelkes ember ölelésében részesültek. És átadták a korábbi elnök, Richard Nixon számára egy kis dobozt holdkövekkel. Most már létezik egy külön „Bolygóvédelmi tisztviselő”, aki figyel arra, hogy ilyen többé ne forduljon elő, és minden szabályt betartsanak. Stuttgartban gyakran látogatják.

A világ legpuhább tisztatere

Az, hogy a Mars-robotot megbízhatóan sterilizálják, a stuttgarti szakértők által tervezett és a holland Noordwijkben, az Európai Űrkutatási és Technológiai Központ (ESTEC) székhelyén kialakított tisztatér lehetővé teszi. Mert a biztonságos tisztítás csak tisztatérben lehetséges, különben a levegőben lebegő számtalan por- és szennyeződés azonnal újra szennyezést okozna. A világ legkorszerűbb tisztatere a Fraunhofer IPA-nál található. Ez megfelel a legmagasabb tisztasági követelményeknek, az ISO 1-es osztálynak. Ez azt jelenti, hogy egy köbméter levegő nem tartalmazhat több mint 10 darab 0,1 mikrométernél nagyobb részecskét. Egy ISO 9-es osztályú, viszonylag gyengébb tisztatérben ez 10^9 részecske lenne, azaz egymilliárdszor több. Egy átlagos városi levegőben kb. 10^13 részecske lebeg köbméterenként, a szmogban még több. A legmagasabb tisztasági szint fenntartásához nagy erőfeszítések szükségesek. Ez már a látogatónál is érzékelhető, amikor belép az IPA épületébe: az ajtó mögött egy térdig érő korlát akadályozza az utat. Mielőtt átlépne rajta, műanyag cipővédőt kell felvennie. A dohányzás az egész épületben tilos. Ezek az óvintézkedések azonban csak a részecskeszámot csökkentik tízszeresére.

A valódi tisztaterek, amelyeket csak átjárókön keresztül lehet megközelíteni, hermetikusan zártak: egyfajta ház a házban. A tudósokat steril overallban látni, amint magas üvegfalak mögött dolgoznak. Belül enyhe túlnyomás uralkodik, hogy ne szivárogjon be nem szűrt levegő. Emellett egy lamináris légáramlás biztosítja, hogy a por szemcsék ne maradjanak a térben. Egy 50 centiméter/másodperces légáramlási sebességnél a teljes levegőcserét néhány másodperc alatt végrehajtják. A részecskék, például amikor egy tudós a kesztyűit dörzsöli, gyorsan eltűnnek a perforált padlón. Annak érdekében, hogy ne keletkezzenek örvények, amelyek zavarhatják a légcserét, a mérnökök elhagyták a mennyezeti emelőt. A mennyezetet szűrőelemek borítják, a padlót pedig úgy alakították ki, hogy a levegőt tisztán szívhassa el. Ebben a rendkívül tiszta környezetben még mérni is lehet, mennyi kopás keletkezik robotkar vagy kábel mozgatásakor. Hasonló ISO 1-es osztályú berendezések csak Hollandiában és Romániában találhatók világszerte, mindkettőt az IPA tervezte. A stuttgarti tisztaterek a legnagyobbak. A legimpozánsabb 6,50 méter magas. A kiemelt padlója akár 6 tonna terhet is elbír négyzetméterenként, ami egyedülálló a világon.

Szén-dioxid-hó és ultrahangos eljárások

A Mars-robot sterilizálására egy, az IPA-nál kifejlesztett és szabadalmaztatott eljárás vált be. Ez tulajdonképpen egy továbbfejlesztés. Eredetileg az USA-ban alkalmazták repülőgépek festékének eltávolítására. Egy kemény sugár, amely rizsszem méretű fagyott szén-dioxid kristályokból áll, szinte lepucolja a festéket a fémről. A stuttgartiak ezt az eljárást finomították. A durva jégkristályokat helyettük szén-dioxid-hóval helyettesítik. A trükk: a fúvókából kijövő sugár egy körülötte lévő nitrogéngázzal is gyorsítva van. Így minden rést elér, és még a legkisebb szennyeződéseket is eltávolítja. Amikor a pici hópehely a viszonylag meleg felülethez ér, gázzá alakul, és a térfogatuk robbanásszerűen, akár 800-szorosára nő. A detonációs nyomás minden szennyeződést teljesen eltüntet, még az ujjlenyomatokat is, amelyeket a hideg gáz tett törékennyé. Az egyetlen hátrány: a szén-dioxid drága. 1000 euróért csak 30 kilogrammot lehet kapni, és ez már tíz perc múlva elpárolog. Ezért az IPA egy feldolgozó berendezést is telepített, amely csak ennek a költsége 800 000 euró volt.

A szén-dioxid-ütögetés csak egyik módja az ipari alkatrészek tisztításának. Körülbelül három tucat további eljárás létezik, amelyek fejlesztésébe az IPA jelentős befektetéseket tesz. Ide tartozik a törlő-, öblítő- vagy plazma-tisztítás, valamint az ultrahangos eljárás, amely nedves vagy folyékony közegben működik. Ezek nem alkalmasak elektronikus vagy elektromos alkatrészek tisztítására. Más eljárások, mint például a szén-dioxid, szárazak és kíméletesek. Vannak durva- és finomtisztítások, elő- és végső tisztítások. Milyen módszert alkalmaznak végül, az az adott tisztasági követelményektől és az alkatrész típusától függ. A legmagasabb elvárásokat a félvezetőipar támasztja, amely a tisztítási technológia élharcosa lett. Mert a chipeken lévő struktúrák már olyan kicsik, hogy néhány nanométeres részecske is rövidzárlatot okozhat. Az autóipar kevésbé szigorú. Itt csak 200 mikrométernél nagyobb részecskék számítanak kritikusnak, főként a fém szennyeződések miatt. Az űrkutatás valamivel a kettő között helyezkedik el. Általánosan elfogadott méretük 1 mikrométer.

Milliós alkatrész: tisztítás rekordidő alatt

Azonban az űrkutatásban más szempontból különösen precíz a munka. Minden alkatrészt egyedileg kezelnek, az alumíniumkerettől a tömítőgyűrűig. A sorozatgyártás ebben a szakmában elképzelhetetlen. Minden feldolgozási lépést alaposan dokumentálnak. A jövőben NFC-címkék segítenének ebben. Ezek tárolják az egyes alkatrészek feldolgozási állapotát. Így még egy kis csavar útját is rekonstruálni lehet a gyártástól a végső összeszerelésig. Csak így lehet megtalálni a hibát egy meghibásodás esetén. Az egyes komponensek tisztításával azonban nem ér véget a folyamat. Ezután csomagolni kell őket, hogy ne szennyeződjenek újra. Ez egyszerűnek tűnik, de nagyon is nagy kihívás. Mert a csomagolóanyagból kis részecskék szabadulhatnak, és újra szennyezést okozhatnak. A rozsdamentes acélból készült tartályok bizonyultak a legjobbnak, amelyek különlegesen készülnek. Ezekben a alkatrészek akár évekig is pihenhetnek, amíg végre egy műhold felszállhat.

Hány erőfeszítést igényel a szakemberek munkája a tisztítás során, azt az elmúlt novemberben lehetett látni. A Fraunhofer IPA-nak meg kellett tisztítania az egyik legnagyobb, 13000 részből álló földmegfigyelő műhold összes alkatrészét. A legnagyobb egy alumínium szegmens volt, amit hónapokon át tartó munkával egy 4 mázsás tömbből faragtak ki. Ennek a finom szerkezetnek a tisztítása során nagy óvatosságra volt szükség, hogy még a legkisebb sérülést is elkerüljék. Csak ez az alumínium szerkezet sok munkát igényelt az intézet munkatársaitól. A nehéz alkatrész előtisztításához a tisztatéri szűrőfödéket széttépték volna, hogy a mennyezeti emelőt használhassák. Ez azonban már nem biztosította volna a megfelelő levegőáramlást. Egy ideiglenes dekontaminációs cella nyújtott megoldást, amely megfelelt a legmagasabb tisztasági követelményeknek és a teherbírási problémáknak is. Sürgősen kellett cselekedni, hogy ne veszélyeztessék a projekt szoros ütemtervét. Egy hét alatt kialakították a ideiglenes tisztatérkét, amely egy kis lakóház méretű volt.

A Fraunhofer IPA széles szolgáltatási portfóliója lehetővé teszi, hogy szükség esetén helyben további feldolgozási lépéseket végezzenek, például lakkozást. Ez kiküszöböli a szállítást, és kizárja az újra szennyeződés veszélyét. Nagy erőfeszítést igényel az is, ha egy tisztítási eljárás minőségét kell értékelni. Ha mikro- vagy nanométeres részecskékről van szó, és azok pontos számát is tudni akarjuk, magas precizitású berendezésekre van szükség. Az IPA ebben semmitől sem riad vissza. Egy teljesen automata mező- vagy szekunder elektronmikroszkóp képes még nanométeres részecskéket is kimutatni. Egy mobiltelefon méretű alkatrész teljes felületét átvizsgálhatja, és számlálhatja a rajta lévő részecskéket. Ugyancsak rendelkezésre áll egy rácsos erőmikroszkóp, amely finom tűvel pásztázza a felületeket. És egy termodeszorpciós gázkromatográf, tömegspektrometriával párosítva, még a legkisebb szerves szennyeződéseket is kimutatja.

Gyakorlati szabványok kialakítása

Csak ezzel a módszerrel lehet megtalálni az optimális tisztítási eljárást bizonyos alkalmazásokhoz, és összehasonlítani a különböző módszereket. Ezért a stuttgarti tudósok részt vesznek a szabványosításért felelős testületek munkájában. Gommel az ISO-ban, az International Organization for Standardization-ben, valamint az ECSS-ben, az European Cooperation on Space Standardization-ben tevékenykedik. Itt a „Cleaning” munkacsoportban dolgozik, és az „Ultraprecíziós tisztítás űrhardverekhez” irányelvet vezeti.

A tisztítás mellett a Fraunhofer IPA számos más fontos területen is támogatást nyújt, például az energiamenedzsmentben. Egy megbízható energiaellátás alapvető a küldetés sikeréhez. Legújabb példája ennek a „Philae” mini-laboratórium jelvesztése volt, amikor a leszállás után röviddel áramkimaradást szenvedett a „Tschuri” üstökösön.

Amikor a Fraunhofer IPA szerepéről beszélünk a légi- és űrtechnológiában, Gommel szívesen emlegeti a „Rejtett bajnok” kifejezést. Így érezte magát, amikor hét évvel ezelőtt az ESA megelőzte a versenytársakat. Ez valószínűleg még ma is így van. Hiszen a „Rejtett bajnok” nemcsak egy titkos győztest jelent, hanem egy ismeretlen világméretű vezetőt is.