La neve garantisce la pulizia nelle missioni spaziali

Già le più piccole particelle di polvere e residui di produzione possono compromettere le prestazioni dei satelliti. Per questo motivo, devono essere soddisfatti requisiti di pulizia estremamente elevati durante la produzione. (Fonte immagine: OHB System) / Since even tiniest grains of dust or particles of manufacturing residues can impair the performance of satellites, extreme high cleanliness requirements have to be fulfilled. (Photo credit: OHB System)

Per la pulizia delle strutture in CFRP dei satelliti – qui con cablaggio integrato e componenti termici – OHB System e acp hanno ideato una soluzione che consente di dimostrare la pulizia durante il processo di pulizia. (Fonte immagine: OHB System)

Grazie ai due puntatori laser integrati nella testa dell'ugello, è possibile impostare la distanza ottimale dalle superfici interne da pulire. (Fonte immagine: OHB System)

Il baffo viene posizionato sulla forca della macchina di pulizia tramite gru. Un sistema di telecamere integrato nella testa dell'ugello mostra l'intero processo di pulizia in diretta sul monitor. (Fonte immagine: acp systems)

La testa della lancia con ugello girevole è montata su una lancia, attraverso le cui aperture vengono aspirate le impurità rimosse. La prova di pulizia viene fornita da un contatore di particelle integrato nel flusso di aria di scarico. (Fonte immagine: acp systems)

Se si tratta delle prestazioni dei satelliti e del loro impiego di successo nello spazio, anche le più piccole particelle di polvere o residui di produzione particolari possono essere determinanti. Un attore globale dell'industria aerospaziale internazionale utilizza con la tecnologia a getto di neve quattroClean una soluzione per la pulizia interna di strutture rivestite di baffi e di compositi di fibra di carbonio (CFK), con o senza cablaggio integrato, con la quale è possibile realizzare una verifica contemporanea del risultato della pulizia.

Il gruppo aerospaziale e tecnologico, a conduzione familiare e quotato in borsa, OHB SE, è uno dei tre principali attori dell'industria spaziale europea. Suddiviso nei settori Space Systems, Aerospace e Digital, impiega circa 2.800 dipendenti. Come più grande consociata, la OHB System AG, con sede principale a Brema e un'altra sede a Oberpfaffenhofen, vanta oltre quattro decenni di esperienza nello sviluppo di soluzioni high-tech per l'industria spaziale e altri settori applicativi, con materiali compositi come il CFK che rivestono un ruolo importante. Tra il portafoglio di prodotti e servizi dell'azienda figurano la realizzazione di sistemi satellitari completi per l'osservazione della Terra, navigazione, telecomunicazioni, scienza e intelligence, così come la pianificazione e l'implementazione di missioni di esplorazione dello spazio e lo sviluppo di sistemi per l'industria spaziale astronautica. In qualità di system house, OHB System collabora con aziende leader nazionali e internazionali per combinare tecnologie in nuove soluzioni.

Rispetto e verifica di elevati requisiti di pulizia

Ciò vale anche nel settore delle tecnologie di pulizia. Infatti, anche i residui di produzione più minimi possono compromettere le prestazioni di una missione, per le quali l'azienda si assume la responsabilità. "Per questo motivo, abbiamo costituito undici anni fa il reparto di Controllo della Pulizia e della Contaminazione. Ora, undici esperti si occupano di pulizia lungo tutta la catena di processo e di ingegneria della contaminazione, della verifica della pulizia, della simulazione dei fenomeni di trasmissione della contaminazione e della pulizia nel settore high-end", riferisce il Dr. Axel Müller, Lead Expert Contamination Control presso OHB System. Nel 2016, si è iniziato a qualificare internamente la tecnologia a getto di neve di CO2 come metodo di pulizia per l'industria spaziale. Si trattava di pulire cablaggi e componenti strutturali in CFK con diametri di circa 2000 x 2000 mm, rivestiti con uno speciale rivestimento nero assorbente alla luce. Questo cosiddetto baffo permette che solo la luce da rilevare o le informazioni di immagine desiderate vengano indirizzate verso componenti ottici come specchi, lenti e rivelatori. "Se, ad esempio, durante il lancio, le vibrazioni portano solo singoli particelle sullo specchio, si creano riflessi luminosi che distorcono l'immagine e possono compromettere la missione", spiega Müller. "Per noi, la sfida non è solo quella di rendere il baffo interno privo di danni e così pulito da non avere più particelle superiori a dieci micrometri, ma anche di dimostrarlo. E questa verifica è di solito estremamente laboriosa, richiede molto tempo e comporta costi elevati." Basandosi sulla tecnologia a getto di neve scalabile di acp systems AG, è stata progettata una soluzione di pulizia adeguata e integrata in una camera bianca ISO 3.

Quattro effetti per superfici estremamente pulite

Il metodo a secco quattroClean utilizza anidride carbonica liquida, a impatto climatico neutro, come mezzo di pulizia, che viene condotta attraverso un ugello a doppio flusso privo di usura. Quando esce dall'ugello, l'anidride carbonica si rilassa in una neve di CO2 fine, che viene condensata da un getto d'aria compressa a forma di anello e accelerata a velocità supersonica. Il getto di neve d'aria compressa, facilmente focalizzabile, sviluppa al contatto con la superficie da pulire una combinazione di effetti termici, meccanici, solventi e di sublimazione. Grazie a questa sinergia di quattro meccanismi di azione, vengono rimossi in modo sicuro e riproducibile contaminanti particellari fino al sub-micrometro e contaminazioni filmiche. Il cristallo di CO2 sublimina completamente durante il processo, lasciando le superfici pulite e asciutte.

Pulizia in camera bianca con verifica diretta della pulizia

A differenza di quanto avviene con la CO2, che dopo la pulizia si trova in forma gassosa, i residui di produzione e le polveri rimossi non si dissolvono. Questa caratteristica ha portato gli esperti di pulizia a pensare di verificare la pulizia contemporaneamente alla fase di pulizia. "Per questo, circondiamo il componente durante la pulizia con un flusso di aria pura, che spinge le contaminazioni rimosse lontano dal componente verso l'aspirazione. In questo flusso d'aria abbiamo integrato un conta-particelle che mostra in tempo reale quante particelle di quale dimensione sono presenti", riferisce Müller. La classe di purezza dell'ambiente viene misurata e può peggiorare durante l'operazione. Attraverso la misurazione del numero di particelle per volume, si può dimostrare che, dopo un'interruzione della pulizia con CO2, la purezza dell'ambiente viene rapidamente ristabilita. Successivamente, si avvia il prossimo ciclo di pulizia. Durante questo, le contaminazioni residue vengono ridotte in numero e dimensione grazie all'azione della pulizia e questa riduzione viene documentata in modo continuo. Questi cicli di pulizia e rigenerazione vengono ripetuti fino a quando il baffo non soddisfa le specifiche di pulizia richieste in termini di contaminazione residua e distribuzione delle dimensioni delle particelle. "A mia conoscenza, la tecnologia a getto di neve quattroClean è l'unico metodo di pulizia in grado di mostrare in tempo reale i risultati", conclude Müller.

Automatismo di pulizia complesso

Basandosi su questi risultati e sulla qualificazione ormai completata della soluzione di pulizia per applicazioni spaziali, acp ha progettato un robot di pulizia per le strutture in CFK di grandi dimensioni, già completamente assemblate, semi-chiuse, di tre diversi baffi, in versione High Purity. Questo include, tra l'altro, un sistema di preparazione dei mezzi per l'anidride carbonica liquida, che garantisce una purezza del 99,995%, e la qualità dell'aria compressa, che è 1.2.1.

I baffi, del peso fino a 125 kg, a forma di tronco di piramide con la parte superiore arrotondata, vengono fissati su una piastra di interfaccia e posizionati con un gru sulla forchetta dell'impianto. Questa può muoversi in direzione X, Y e Z. Per raggiungere tutte le superfici interne dei componenti, con dimensioni massime di 1600 x 1600 x 2000 mm, l'ugello con area di getto orientabile si inserisce nel baffo tramite una sonda, lo scansiona a zig zag e ruota durante il processo. Durante la pulizia, l'aria interna del baffo viene aspirata e le particelle contenute vengono analizzate in modo locale e temporale, in base a dimensione e numero, per valutare l'efficacia della pulizia.

Controllo delle collisioni tramite gemello digitale

Le collisioni, che potrebbero causare danni alle strutture in CFK, devono essere assolutamente escluse durante la pulizia. Allo stesso tempo, ogni area deve essere pulita secondo i requisiti. Le sequenze di movimento sono quindi definite singolarmente per ogni baffo. "Questo avviene tramite un gemello digitale che rappresenta l'impianto, il componente, il processo di pulizia e il risultato", spiega Müller. Per le misurazioni di distanza, la testa dell'ugello è dotata di un sensore ad ultrasuoni e di due laser pointer. Inoltre, un sistema di telecamere integrato fornisce immagini in tempo reale durante la pulizia. La verifica della pulizia avviene tramite conta-particelle integrati nel flusso di scarico. "Con questa apparecchiatura, probabilmente unica al mondo, riusciamo a pulire le componenti con un livello di purezza 10.000 volte superiore rispetto a prima. E tutto questo con un enorme risparmio di tempo, maggiore sicurezza del processo e riproducibilità", conclude Müller.