Spazio puro

[2] Telescopio Hubble (Copyright Pixabay)

[1] La Via Lattea (Copyright Stefan Dittel)

[3] ITC – Airbus Defence and Space (Copyright Airbus D&S)

[4] ITC – Airbus Defence and Space (Copyright Airbus D&S)

[5] Misurazione della qualificazione – DITTEL Engineering (Copyright DITTEL Engineering)

[6] Particelle sulla vela solare (Copyright Airbus D&S)

[7] L'universo (Copyright Pixabay - Immagine di Pexels da Pixabay)

[8] Modulo specchio ATHENA (Copyright Airbus D&S)

[9] Contenitore di trasporto (Copyright Airbus D&S)

[10] Lancio – Kourou / Guyana Francese (Copyright Airbus D&S)

(Copyright Shutterstock)

Prof. Dr. Gernod Dittel

Dott. Berthold Vogt

La camera bianca è la sala di controllo di tutti i satelliti. Prima di partire per lo spazio, tutti i corpi celesti artificiali qui vedono la luce di un mondo che abbandoneranno presto e per sempre. Poiché gli errori successivi non possono più essere corretti, tutte le fonti di errore devono essere eliminate durante il montaggio e il trasporto, per quanto piccole possano essere.

Il successo di aziende emergenti come SpaceX mostra soprattutto una cosa: nell'industria spaziale commerciale regna un clima di entusiasmo. Non solo le aziende, ma anche le agenzie spaziali statali di molti paesi hanno fissato obiettivi ambiziosi.

Se si mette da parte l'annuncio di Markus Söder di un programma spaziale autonomo della Baviera ("Bavaria One"), la Germania si presenta piuttosto modestamente. Per non restare indietro, l'Associazione dell'Industria Tedesca (BDI) richiede un aumento massiccio del budget spaziale tedesco.

Nella sua linea guida "Mercato futuro dello spazio" il BDI cita previsioni di consulenti aziendali. Secondo queste, il mercato mondiale della tecnologia spaziale si decuplicherà nei prossimi 20 anni. I ricavi dovrebbero passare da 260 miliardi di euro (2019) a 2.700 miliardi di euro nel 2040. La quota di mercato delle aziende tedesche è attualmente stimata a 3 miliardi di euro.

La copertura mediatica sull'avanzata dell'associazione industriale si è concentrata sulla proposta esotica di creare un sito di lancio in Germania. Tuttavia, è passato inosservato che si desiderava solo un "Micro Space Port", da cui potrebbero decollare al massimo razzi più piccoli con satelliti di piccole dimensioni. Le impressionanti immagini di lanci di razzi in paesi lontani fanno dimenticare che l'industria spaziale tedesca vi partecipa spesso. In nicchie tecniche, scienziati, ingegneri e fornitori tedeschi hanno assunto ruoli importanti. La panoramica di settore "Attori tedeschi nello spazio" del Centro tedesco per l'aeronautica e lo spazio (DLR) elenca in ogni Stato federale decine di aziende e istituzioni che contribuiscono alla moderna industria spaziale. Una caratteristica comune: quasi tutte hanno una camera bianca. Perché senza camera bianca non c'è spazio.

La Germania investe in camere bianche invece di razzi

Nello spazio sono le piccole cose a far fallire grandi progetti. Nel lancio di un Ariane 4 nel 1990, fu un panno di pulizia in una tubazione a causare il fallimento e la perdita di due satelliti. Ancora oggi si dibatte se si trattasse di sabotaggio o di negligenza. Nel 1994 ci furono due fallimenti di lancio, perché contaminazioni avevano bloccato una turbopompa per ossigeno liquido. Cose del genere non succedono solo agli europei, cioè all'Agenzia Spaziale Europea (ESA). La NASA ha bisogno di cinque missioni di riparazione, ad esempio, per correggere un errore di produzione del telescopio spaziale Hubble.

Lo specchio primario grande, levigato con cura per mesi, risultò più piatto di alcuni micrometri rispetto a quanto necessario per un fuoco nitido. Questo venne scoperto troppo tardi, cioè solo dall'alto.

Gli esempi mostrano la particolarità delle esigenze tecniche nello spazio: i componenti e i satelliti devono essere funzionanti al 100% quando arrivano sul luogo di utilizzo — che sia lo spazio vicino alla Terra, un altro pianeta o un viaggio oltre il sistema solare. Una volta nello spazio, le riparazioni sono quasi impossibili. Le eccezioni richiedono sforzi enormi.

In orbita, anche le parti dei satelliti non possono più essere pulite. Anche i più piccoli particolati portati a bordo sono in grado di compromettere il successo delle missioni. Ottiche sporche, punti di saldatura contaminati, magazzini non puliti sono punti deboli da evitare. Gli ingegneri hanno imparato questa lezione dalle esperienze dolorose e costose della storia spaziale.

L'analisi degli errori dopo incidenti porta, a seconda del sistema, a misure specifiche — ad esempio, nel caso della spugna di pulizia Ariane, che da allora le linee sottili vengono ispezionate endoscopicamente prima di ogni lancio. Soprattutto, la curva di apprendimento ha portato a produrre i satelliti oggi molto più schermati e in ambienti protetti rispetto al passato.

La misura più importante per prevenire errori di milioni di euro è il continuo sviluppo della camera bianca. La sua origine è strettamente legata allo spazio del XX secolo. Per sviluppare ulteriormente il missile tedesco V2 dopo la guerra, gli americani costruirono una delle prime camere bianche tecniche, in cui montarono dispositivi di controllo per i razzi. Questa stanza era rivestita ancora di acciaio inossidabile — con l'ipotesi che le particelle di polvere non si sarebbero depositate, ma sarebbero cadute rapidamente a terra. Tuttavia, questo non accadde. Poiché le funzioni di controllo e di guida di aerei e razzi dovevano diventare sempre più precise, aumentò anche la richiesta di precisione nella produzione. Così, lo sviluppo delle tecnologie di camere bianche ha supportato l'industria spaziale, così come questa ha influenzato tendenze e budget del settore.

Massimizzare l'affidabilità dei sistemi spaziali è il contributo principale delle camere bianche moderne all'industria spaziale commerciale e scientifica. Riduce la percentuale di errori nei veicoli e nelle payload. I satelliti vengono prodotti lungo una lunga catena di camere bianche. Dalla produzione dei componenti, al montaggio — chiamato "integrazione" nella tecnologia dei satelliti — fino al trasporto al sito di lancio e infine nello spazio. Anche la ricerca di possibili punti deboli in grandi strutture di test, che spesso durano diversi mesi, avviene in ambienti di camere bianche. Durante l'integrazione, si mantiene uno standard di alta qualità. Tutti i passaggi sono controllati e documentati. Oltre ai requisiti diretti sulla qualità delle camere bianche, anche la disciplina dei lavoratori è un fattore critico.

In un luogo di lavoro pulito e ordinato, anche la consapevolezza di responsabilità del dipendente è elevata. La principale fonte di contaminazione nelle camere bianche è l'uomo, che rilascia circa un milione di particelle ≥0,3 µm al minuto. Per ridurre questa contaminazione, i lavoratori indossano tute protettive. Queste proteggono più il prodotto che il personale — diversamente dagli abiti spaziali.

In Germania sono state recentemente aperte due enormi sale con postazioni di lavoro per assemblatori di satelliti. Con l'Integrated Technology Centre (ITC), Airbus ha aperto nel 2019 a Friedrichshafen, secondo quanto dichiarato, "il centro di integrazione e tecnologia spaziale più moderno d'Europa". La superficie della camera bianca del sito è stata triplicata. Su un totale di 4.000 metri quadrati, ora si possono produrre contemporaneamente più satelliti, sonde e i loro strumenti, a seconda delle esigenze, in diverse classi ISO.

Un anno dopo, il concorrente OHB di Brema ha completato la sua nuova sala di integrazione. La "PLATO-Halle", una camera bianca ISO-8, è alta circa 11 metri e copre circa 1.400 metri quadrati, ed è la più grande della società OHB. Sono stati investiti 15 milioni di euro, e in questa struttura si intende costruire, tra gli altri, i satelliti per le comunicazioni e l'osservatorio spaziale PLATO.

Requisiti di purezza tra controllo visivo e biohazard

I satelliti di ricerca destinati ad atterrare su altri pianeti o comete devono rispettare i più elevati standard di purezza. Non devono contenere né particelle disturbanti né microbi a bordo. Se portassero spore o batteri, le misurazioni per la ricerca di tracce di vita extraterrestre sarebbero compromesse. Inoltre, violerebbero trattati internazionali, in particolare una parte del "Trattato sullo spazio", che regola le attività degli stati nella ricerca e nell'uso dello spazio, inclusi la Luna e altri corpi celesti. Prima delle missioni Viking su Marte, USA e Unione Sovietica concordarono nel 1967 di essere cauti almeno oltre la Terra. Nessun altro pianeta dovrebbe essere influenzato dall'introduzione di flora e fauna terrestri. Questa regola è stata adottata da 110 nazioni spaziali, tra cui la Germania nel 1971. Da allora, le unità di atterraggio sono tra i più rigorosamente puliti tra gli apparati spaziali. Una completa sterilizzazione senza microbi è impossibile.

Perciò, tra le fasi di lavoro o prima della partenza, è indispensabile e urgente una sterilizzazione completa. Come ormai si sa, anche i microbi terrestri sono in grado di sviluppare una vita propria nello spazio. Esperimenti sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) hanno mostrato che nemmeno il vuoto uccide alcuni batteri. Un altro capitolo, non approfondito qui, riguarda i microbi che a bordo di veicoli spaziali con equipaggio sono difficili da controllare. Per esempio, le colture di funghi sembrano aver trovato un habitat molto favorevole dietro le coperture sulla stazione MIR.

Solo l'igiene può fare poco se le persone sono costrette a vivere e lavorare a lungo in spazi ristretti e chiusi.

Le missioni su altri pianeti o comete sono molto rare. Per questo, le camere bianche esistenti vengono adattate, di solito a classi ISO 5, per la loro integrazione. Durante le pause di lavoro, vengono accesi sterilizzatori UV sulle pareti per uccidere i microbi presenti nell'aria. Alcuni componenti o gruppi di componenti possono essere sterilizzati tramite radiazioni, trattamento con cloro o riscaldamento sopra i 140 °C. L'Istituto Fraunhofer di Stoccarda per la tecnologia di produzione e automazione (IPA), su incarico dell'ESA, si occupa dal 1999 di metodi innovativi di sterilizzazione. Diversamente dai metodi tradizionali, uno di questi nuovi sistemi rimuove i microrganismi uccisi invece di lasciarli. È possibile grazie a un getto di cristalli di anidride carbonica fredda e morbida, aspirati dopo il trattamento. Le misure di sterilizzazione vengono mantenute finché non si raggiunge un limite inferiore di numero di microbi.

Classe speciale spaziale "Visible Clean"

All'estremo dello spettro delle esigenze di purezza nello spazio si trova la categoria "Visible Clean". Questa è, curiosamente, l'unica classe di camere bianche non presente in nessun regolamento di altri settori, ma solo nella norma europea ECSS-Q-ST-70-01C (European Cooperation for Space Standardization). Visible Clean è uno standard di camera bianca per lo sviluppo e la ricerca in laboratori, ma non per l'integrazione di veicoli di volo. Il personale si sposta continuamente tra laboratorio e ufficio. Non ci sono camere di passaggio. Mancano anche regolazioni di pressione e il flusso d'aria nel locale non è definito. I lavoratori indossano semplicemente tute e scarpe nuove quando entrano, per evitare contaminazioni dirette da abbigliamento stradale.

Invece di misurare continuamente la qualità della camera bianca, si effettuano ispezioni con luce bianca quando necessario. Si considerano particelle più grandi di 10 µm, visibili ad occhio nudo. Le stanze di questo livello minimo di tolleranza possono essere anche classificate come ISO 9.

Tutte le camere bianche di livello superiore sono dotate di sistemi di climatizzazione. La temperatura è di circa 22 °C (+/-3 °C) e l'umidità relativa dell'aria è del 55% (+/-10%). L'umidità controllata è importante per il funzionamento di componenti elettronici: in aria secca, si possono verificare scariche elettriche. Alcune scatole elettroniche sono state danneggiate durante l'integrazione perché i lavoratori erano caricati elettricamente. Per evitare cortocircuiti, sempre più ambienti sono dotati di pavimenti ESD (Electro Static Discharge), cioè conduttivi elettricamente, con resistenza inferiore a 1 MΩ. L'equipaggiamento ESD include abbigliamento, scarpe e guanti conduttivi, tutti progettati per prevenire accumuli di tensione superiori a 100 Volt.

Per la maggior parte dei satelliti: classe ISO 7 e 8?

Le classi di camere bianche ISO 7 e 8 secondo DIN EN ISO 14644 sono usate per l'integrazione della maggior parte dei satelliti. Requisiti di purezza più bassi si applicano a satelliti con componenti elettronici principali come radar o sistemi di comunicazione.

Particolarmente importante sono le componenti ottiche. Anche questi satelliti sono dotati di sensori stellari che determinano autonomamente la posizione del veicolo spaziale in orbita. Sono inoltre equipaggiati con sistemi di controllo dell'assetto o gruppi di propulsione che utilizzano componenti liquidi o gassosi. Le valvole devono essere assolutamente sigillate, cioè prive di particelle. Qualsiasi perdita riduce la durata di vita.

Questi componenti sensibili alla contaminazione sono di solito sigillati o coperti durante l'integrazione e vengono attivati solo poco prima del lancio.

In camere bianche di questa classe, si verifica un ricambio d'aria continuo con aria condizionata e filtrata, con una frequenza fino a 40 volte all'ora. L'aria viene immessa dal soffitto tramite bocchette a vortice e si distribuisce grazie al flusso turbolento in tutto il locale.

L'aria viene aspirata dal pavimento, ricondizionata, integrata con aria fresca e quindi reiniettata attraverso filtri. Rispetto alle stanze adiacenti, si mantiene una sovrappressione di 20-30 Pascal. La catena di pressione inizia all'esterno, passa attraverso le porte di accesso e termina nella camera bianca. Le condizioni sono costantemente monitorate e registrate con sensori calibrati.

La concentrazione di particelle viene di solito misurata con sensori laser collegati a un sistema a depressione, che attraversa il locale con un flusso d'aria parziale.

Non sono ammessi più di 100.000 particelle di dimensioni tra 0,5 µm e 5 µm al minuto e per metro cubo. Un metodo alternativo è la misurazione PFO (particle fall out) su una piccola piastra metallica predisposta. Per una camera di classe ISO 8, i valori di misura sono tipicamente inferiori a 275 ppm/24h. La camera bianca deve essere calibrata annualmente, con sensori laser che misurano la concentrazione di particelle in vari punti. Il numero di punti di misurazione si calcolava fino a poco tempo fa come la radice quadrata dell'area di base della stanza. La nuova regolamentazione prevede che il numero di punti di misura sia calcolato in base alla superficie della stanza secondo la tabella della DIN EN ISO 14644-1.

È obbligatorio indossare tute, calzature e copricapi antistatici, e anche una benda per la barba per chi porta la barba. Chi lavora con i veicoli spaziali indossa guanti. Anche i componenti entrano e escono solo attraverso apposite camere di passaggio. Sebbene si tratti di una camera bianca, non è priva di polvere e deve essere pulita regolarmente e secondo un piano. Le contaminazioni vengono continuamente introdotte da persone e materiali, e si depositano nelle zone più calme del pavimento o sulle superfici.

Di solito si pulisce una volta al giorno con un panno umido, usando solo acqua distillata o acqua distillata mescolata con il 5-15% di isopropanolo. Tutti gli impianti e le attrezzature devono essere facilmente pulibili e non devono rilasciare particelle. Per i rubinetti in camera bianca, l'unità di comando deve essere sigillata, e le funi portanti sostituite con bande rivestite. Poiché le ruote di scorrimento generano abrasione e le funi lubrificate emettono vapori, queste devono essere gestite di conseguenza.

ISO Classe 5 per requisiti di purezza ancora più elevati

In una camera bianca di questa classe si integrano satelliti con sistemi estremamente sensibili. Si tratta soprattutto di aggregati ottici, come i satelliti di osservazione della Terra. Una contaminazione particellare delle superfici ottiche provoca un aumento della luce diffusa, riducendo le prestazioni, mentre una contaminazione molecolare altera lo spettro, compromettendo le immagini e le misurazioni di temperatura. La pulizia, spesso con pennelli morbidi o pennelli a piuma, e l'uso di aspirapolvere specifici sono molto impegnativi e non sempre efficaci. Le superfici ottiche e i rivestimenti morbidi possono essere graffiati. La rimozione delle contaminazioni molecolari richiede sistemi di filtrazione AMC (Airborne Molecular Contamination), che filtrano tutta l'aria ricircolata.

Per misurare le contaminazioni molecolari si usano piastre di testimonianza (Witness Plates). La deposizione di molecole può essere analizzata con uno spettrofotometro IR. Il limite massimo di misura per tali ambienti dovrebbe essere di 7,1 x 10^-11 g/cm² al giorno. Poiché il limite inferiore di rilevamento degli strumenti di analisi è di 5 x 10^-11 g/cm², le prove devono essere lasciate in posa per un periodo di quattro-sei settimane. Il sistema di ventilazione è progettato per creare un flusso laminare, preferibilmente verticale, dalla soffitto al pavimento, in modo che le contaminazioni siano immediatamente convogliate verso il basso. In alternativa, si può usare un flusso orizzontale da una parete all'altra o dal soffitto al pavimento, facendo attenzione a non dirigere il flusso direttamente sugli oggetti durante attività critiche. Le bocche di uscita dell'aria sono di solito costituite da numerose unità FFU (Filter Fan Units) con ventilatori e filtri finali, posizionati dietro griglie per consentire un'aspirazione uniforme dell'aria. Le superfici di mobili e attrezzature devono essere forate o avere griglie per permettere il passaggio dell'aria senza turbolenze.

Le norme di abbigliamento prevedono che i lavoratori indossino tute, calzature e copricapi antistatici, e anche una benda per la barba per chi porta la barba. Chi lavora con i veicoli spaziali indossa guanti. Anche i componenti entrano e escono solo attraverso apposite camere di passaggio. Sebbene si tratti di una camera bianca, non è completamente priva di polvere e deve essere pulita regolarmente secondo un piano. Le contaminazioni vengono continuamente introdotte da persone e materiali, e si depositano nelle zone più calme del pavimento o sulle superfici.

Di solito si pulisce una volta al giorno con un panno umido, usando solo acqua distillata o acqua distillata mescolata con il 5-15% di isopropanolo. Tutti gli impianti e le attrezzature devono essere facilmente pulibili e non devono rilasciare particelle. Per i rubinetti in camera bianca, l'unità di comando deve essere sigillata, e le funi portanti sostituite con bande rivestite. Poiché le ruote di scorrimento generano abrasione e le funi lubrificate emettono vapori, queste devono essere gestite di conseguenza.

ISO Classe 4 o superiore per requisiti ancora più elevati

In una camera bianca di questa classe si integrano satelliti con sistemi estremamente sensibili, come i satelliti ottici di nuova generazione (ad esempio ATHENA dell'ESA). Questi sistemi richiedono superfici prive di particelle e contaminazioni molecolari, per garantire immagini e misurazioni di alta qualità. La pulizia di componenti ottici e rivestimenti richiede tecniche avanzate e spesso costose, come l'uso di pennelli morbidi, aspirapolvere speciali e sistemi di filtrazione molecolare. La pianificazione delle camere bianche di questa classe mira a eliminare ogni possibile fonte di contaminazione molecolare, evitando l'uso di materiali come il silicone, che può rilasciare vapori per decenni.

Per le misurazioni molecolari si usano piastre di testimonianza e spettrofotometri IR, con limiti di rilevamento molto bassi. Il sistema di ventilazione è progettato per creare flussi laminari verticali, con filtri HEPA o ULPA di alta efficienza, e con sistemi di monitoraggio continuo della qualità dell'aria. Le operazioni di pulizia e sterilizzazione sono estremamente rigorose e prevedono l'uso di tecniche avanzate, come i filtri AMC, per garantire ambienti di altissima purezza.

Le camere bianche di questa classe sono utilizzate per l'integrazione di satelliti con sistemi ottici di alta precisione, come i telescopi spaziali di prossima generazione, e richiedono ambienti di lavoro altamente controllati e monitorati costantemente per mantenere livelli di contaminazione estremamente bassi.