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Pre-pulizia di un componente pesante del satellite (Fonte: Fraunhofer IPA)

Tag NFC per il tracciamento dell'unità di componenti (Sorgente: Fraunhofer IPA) / Tag NFC per il monitoraggio della pulizia dei componenti (Fonte: Fraunhofer IPA)

Verifica della sterilità microbatterica di un componente per proteggere i pianeti dalla contaminazione da germi. (Fonte: Fraunhofer IPA)

IPA.Valve – La valvola controllata magneticamente (Sorgente: designarmada, Foto: Jens Kramer) / Figura 4: IPA.Valve – La valvola controllata magneticamente (Sorgente: designarmada, Foto: Jens Kramer)

Fornitura energetica affidabile – essenziale per l'aerospaziale (Fonte: Fraunhofer IPA, Foto: Heike Quosdorf) / Figura 5: Fornitura energetica affidabile – una necessità assoluta per il viaggio nello spazio (Fonte: Fraunhofer IPA, Foto: Heike Quosdorf)

Rover ExoMars (Fonte: ESA) / Rover ExoMars (Fonte: ESA)

Componenti utilizzati in una missione spaziale devono essere puliti con estrema precisione. Il Fraunhofer IPA si è guadagnato una reputazione in questo campo in pochi anni – soprattutto perché non solo pulisce, ma può anche fornire dichiarazioni precise sulla qualità del suo lavoro. A tal fine, l'istituto di Stoccarda dispone di strumenti di analisi altamente precisi. Inoltre, possiede i più sofisticati ambienti di cleanroom al mondo.

Tutto è iniziato con una richiesta sorprendente. L'Agenzia Spaziale Europea ESA voleva sapere se il Fraunhofer IPA fosse in grado di sterilizzare vari componenti di una missione su Marte. Udo Gommel, responsabile del settore "Elettronica e Micro-sistemi", non si aspettava grandi possibilità di affrontare questo compito impegnativo. Infatti, non era l’unico a essere stato interpellato, e inoltre non aveva alcuna esperienza nel settore aerospaziale. «Pensavo che, come tecnico di produzione, sarei stato subito escluso», ricorda. Tuttavia, aveva familiarità con la pulizia di componenti elettronici delicati, ad esempio nei settori dell'industria dei semiconduttori o della tecnologia medica. Inoltre, poteva contare su uno dei laboratori di cleanroom più avanzati al mondo. E questo alla fine fu decisivo: ottenne il lavoro. Era sette anni fa. Ora, l'industria aerospaziale rappresenta una parte stabile del suo settore. Attualmente, ci sono circa 20 progetti in corso con diversi focus. «Una volta entrati nel settore, si viene passati di mano in mano», dice Gommel. Quando si tratta di questioni particolarmente complesse, quando le soluzioni commerciali non bastano e la ricerca è richiesta, i tedeschi di Stoccarda sono sempre in corsa.

La massima priorità alla sicurezza

Nell'industria aerospaziale, la sicurezza ha la massima priorità, perché si tratta di vite umane – e di ingenti somme di denaro. Se un aereo si schianta, muoiono centinaia di passeggeri. E una missione spaziale può costare quanto un intero grattacielo. Poiché un satellite senza equipaggio, una volta lanciato, non può più essere riparato, anche il guasto di un componente di pochi centesimi può portare a un disastro totale (GAU). Allora tutti gli sforzi sono stati vani e gli scienziati devono aspettare anni per una missione di riserva. «Failure is not an option», si dice nell’aerospaziale. Nessun componente, nessun apparato può fallire. Le contaminazioni giocano un ruolo molto importante. Perché lo sporco è veleno per tutti i materiali: può bloccare la meccanica, causare cortocircuiti o disturbare l’elettronica. Diventa particolarmente delicato quando si tratta di sonde che devono cercare tracce di vita su un pianeta sconosciuto. È proprio questo il tema della missione europea su Marte «ExoMars», con cui i tedeschi di Stoccarda sono ancora impegnati. Nel 2018, «ExoMars» dovrebbe partire. Una sonda di atterraggio si poserà sul pianeta vicino e invierà un veicolo delle dimensioni di uno smart. Per far funzionare affidabilmente i suoi sensori di ricerca di vita, non deve portare materiali organici dalla Terra. Altrimenti, rischia come il suo predecessore americano «Curiosity», che nel 2012 segnalò un successo. Gli esperti analizzarono per mesi le sostanze trovate con strumenti di bordo – fino a concludere che si trattava di un falso allarme: i dispositivi avevano rilevato contaminazioni terrestri. Per evitare tali incidenti, tutti i componenti devono essere assolutamente sterili. Nemmeno residui di microbi morti devono aderire alle fessure. Per motivi ecologici, questa pedanteria è ormai parte integrante dell’esplorazione spaziale. Organizzazioni come ESA e NASA si sono impegnate nel «Planetary Protection Program» a non portare germi dalla Terra su altri pianeti. Inoltre, devono adottare precauzioni affinché sostanze rischiose di altri mondi non arrivino sulla Terra – nel caso sia previsto un ritorno. Scene euforiche come nel 1969 sarebbero oggi impensabili. Allora, i primi uomini sulla Luna, appena tornati, venivano abbracciati da molti entusiasti. E consegnarono al presidente Nixon un piccolo contenitore con campioni di roccia lunare. Ora, esiste un «Ufficiale di Sicurezza Planetaria» dedicato a garantire che ciò non accada più e che tutte le regole siano rispettate. A Stoccarda, spesso è ospite.

Il cleanroom più pulito del mondo

Per sterilizzare affidabilmente il rover marziano, gli esperti di Stoccarda hanno progettato un cleanroom per l’ESA e lo hanno allestito a Noordwijk, nei Paesi Bassi, sede del Centro Europeo di Ricerca e Tecnologia Spaziale (ESTEC). Infatti, una pulizia sicura è possibile solo in un cleanroom, altrimenti le innumerevoli particelle di polvere presenti nell’aria causerebbero subito contaminazione. Il cleanroom più sofisticato al mondo si trova presso il Fraunhofer IPA. Rispetta i più elevati requisiti di purezza, la classe ISO 1. Ciò significa che un metro cubo di aria può contenere al massimo 10 particelle di 0,1 micrometri di diametro. In una stanza di classe ISO 9, un cleanroom di qualità inferiore, ci sarebbero 10^9 particelle, cioè un miliardo di volte di più. Nell’aria normale di città, ci sono circa 10^13 particelle per metro cubo, e ancora di più in presenza di smog. Per rispettare il massimo livello di purezza, occorre uno sforzo considerevole. Lo si percepisce già entrando nel complesso dell’IPA: subito dietro la porta, un bordo alto un ginocchio blocca il passaggio. Prima di superarlo, bisogna indossare copriscarpe di plastica. È vietato fumare in tutto l’edificio. Tuttavia, queste precauzioni riducono il numero di particelle solo di un fattore 10.

I veri e propri cleanroom, accessibili solo attraverso apposite camere di passaggio, sono sigillati ermeticamente: una sorta di “casa nella casa”. Si vedono i ricercatori in tute sterili dietro alte pareti di vetro mentre maneggiano. All’interno, si mantiene una leggera pressione positiva per impedire l’ingresso di aria non filtrata. Inoltre, un flusso d’aria laminare, che dalla soffitto va verso il pavimento, assicura che nessuna particella di polvere rimanga nel locale. Con una velocità di flusso di 50 centimetri al secondo, tutta l’aria del locale viene rinnovata in pochi secondi. Le particelle generate, ad esempio, dall’attrito tra i guanti di un ricercatore, scompaiono rapidamente nel pavimento perforato. Per evitare turbolenze che disturberebbero lo scambio d’aria, gli ingegneri hanno eliminato il ponte a soffitto. L’intera copertura del soffitto è rivestita di filtri. Il pavimento è rialzato per poter aspirare l’aria in modo pulito. In questo ambiente ultraregolato, si può persino misurare quanto abrasione si genera muovendo un braccio robotico o un cavo. Impianti di classe ISO 1 simili esistono al mondo solo in Olanda e in Romania, entrambi progettati da esperti dell’IPA. Tuttavia, i cleanroom di Stoccarda sono i più grandi. Il più imponente ha un’altezza di 6,50 metri. Il suo pavimento rialzato può sostenere un carico di 6 tonnellate per metro quadrato, rendendolo unico al mondo.

Neve di anidride carbonica e metodi ad ultrasuoni

Per sterilizzare il rover marziano, si è adottato un metodo sviluppato e brevettato dal Fraunhofer IPA. In realtà, si tratta di un’evoluzione di una tecnica originariamente usata negli Stati Uniti per rimuovere la vernice dalle fiancate degli aerei. Un getto di cristalli di ghiaccio di anidride carbonica, grandi quanto chicchi di riso, spruzza via la vernice dal metallo. Gli esperti di Stoccarda hanno perfezionato questa tecnica, sostituendo i cristalli di ghiaccio con neve di CO2. La vera innovazione è che il getto, che esce dalla bocchetta, viene ulteriormente accelerato da un flusso di azoto. In questo modo, penetra in tutte le fessure e rimuove anche le più piccole impurità. Quando le minuscole fiocche di neve colpiscono una superficie relativamente calda, si trasformano in gas, espandendosi in volume di circa 800 volte. La pressione dell’esplosione spazza via ogni traccia di sporco, anche le impronte digitali che il gas freddo aveva reso fragili. L’unico svantaggio è che la CO2 è costosa: con 1000 euro si ottengono circa 30 chili, e sono già finiti dopo dieci minuti. Per questo, il Fraunhofer IPA ha installato un impianto di riciclo, costato circa 800.000 euro.

Il getto di CO2 è solo uno dei tanti metodi per pulire componenti industriali. Sono circa una trentina gli altri processi in fase di sviluppo presso l’IPA. Dalla pulizia con panni o lavaggi, fino alla pulizia con plasma. Alcuni metodi, come quello ad ultrasuoni, richiedono un ambiente umido o liquido e quindi non sono adatti a componenti elettronici o elettrici. Altri, come quello con CO2, sono a secco – e particolarmente delicati. Esistono pulizie grossolane e fini, di pre- e di fine- pulizia. La scelta del metodo dipende dai requisiti di purezza e dal tipo di componente. La più alta richiesta viene dall’industria dei semiconduttori, che ha fatto della tecnologia di pulizia un proprio punto di forza. Le strutture sui chip sono ormai così piccole che anche una particella di pochi nanometri può causare un cortocircuito. Nell’industria automobilistica, le regole sono meno stringenti: si considerano critici particelle di almeno 200 micrometri, con particolare attenzione alle contaminazioni metalliche. L’industria aerospaziale si colloca a metà strada, con requisiti generalmente di particelle di un micrometro.

Componenti da milioni di euro: pulizia in tempi record

Tuttavia, nel settore spaziale, si è estremamente meticolosi anche sotto altri aspetti. Ogni componente viene lavorato singolarmente, dal telaio in alluminio alla rondella di tenuta. Non si può pensare a un lavoro in linea. Ogni fase di lavorazione viene documentata con precisione. In futuro, si prevede di utilizzare NFC per memorizzare lo stato di lavorazione di ogni singolo componente. In questo modo, si potrà ricostruire il percorso di una piccola vite dalla produzione all’assemblaggio finale. Solo così si potrà individuare la causa di eventuali guasti. La pulizia di ogni singolo componente non basta: devono essere imballati per evitare che si sporchino di nuovo. Questa operazione, apparentemente banale, è molto complessa, perché il materiale di imballaggio potrebbe rilasciare particelle e causare nuova contaminazione. Si sono dimostrati particolarmente efficaci contenitori in acciaio inossidabile appositamente realizzati. In essi, i componenti possono rimanere anche anni, fino al momento del lancio del satellite.

Il livello di impegno richiesto agli esperti nella pulizia si è visto chiaramente lo scorso novembre. L’IPA doveva pulire tutte le 13.000 parti di un satellite per l’osservazione della Terra. La più grande era un segmento in alluminio, ricavato in mesi di lavoro da un blocco massiccio di 4 quintali. La pulizia di questa struttura delicata ha richiesto grande attenzione per evitare anche il minimo danno. Solo questa struttura in alluminio ha richiesto molto impegno agli operatori dell’istituto. Per la pre-pulizia del componente pesante, sarebbe stato necessario rimuovere la copertura del filtro del cleanroom per poter usare un ponte a soffitto. Tuttavia, così non si garantiva più un flusso d’aria ottimale. È stata quindi allestita una cella di decontaminazione temporanea, che soddisfaceva i requisiti di massima pulizia e di carico. È stato necessario agire in fretta, per rispettare i tempi stretti del progetto. In una settimana, è stato realizzato un cleanroom temporaneo delle dimensioni di una piccola abitazione.

La vasta gamma di servizi offerti dall’IPA permette anche, se necessario, ulteriori lavorazioni sul posto, come la verniciatura. In questo modo, si elimina il trasporto e si evita il rischio di contaminazione successiva. Anche valutare la qualità di un metodo di pulizia richiede molto sforzo. Quando si tratta di particelle di dimensioni micro o nanometriche, e si desidera conoscere anche il numero esatto, sono necessari strumenti di alta precisione. L’IPA non si risparmia in questo campo. Un microscopio elettronico a scansione a emissione di campo, completamente automatizzato, può individuare particelle di dimensioni nanometriche. Può scansionare tutta la superficie di un componente grande quanto un cellulare e contare le particelle ad essa aderenti. È presente anche un microscopio a forza atomica, che esplora le superfici con una sottile sonda, e un gascromatografo con spettrometria di massa, che individua anche le tracce più piccole di contaminazioni organiche.

Stabilire standard pratici

Solo con questo impegno è possibile individuare il metodo di pulizia ottimale per applicazioni specifiche e confrontare diversi processi. Per questo, i ricercatori di Stoccarda partecipano ai comitati di standardizzazione delle metodologie di pulizia. Gommel è attivo sia nell’ISO, l’Organizzazione Internazionale per la Standardizzazione, sia nell’ECSS, la Cooperazione Europea per la Standardizzazione Spaziale. Qui fa parte del gruppo di lavoro «Cleaning», e lì dirige il documento di linee guida «Pulizia di precisione ultrafine di hardware spaziale».

Oltre alla pulizia, l’IPA può supportare anche in altri settori importanti, come la gestione dell’energia. Un approvvigionamento energetico affidabile è fondamentale per il successo di una missione. L’ultimo esempio è la perdita di segnale con il mini-laboratorio «Philae», poco dopo l’atterraggio sul cometario «Tschuri», quando si è esaurita l’energia.

Quando si parla del ruolo dell’IPA nell’industria aerospaziale, Gommel ama definire l’istituto come un «Campione nascosto». È così che si è sentito quando, sette anni fa, l’ESA lo ha preferito ad altri concorrenti. Probabilmente, questa percezione è ancora valida. Perché il termine «Campione nascosto» non indica solo un vincitore segreto, ma anche un leader mondiale poco conosciuto.