Tutto dentro

Gli scienziati preparano regolarmente strumenti per missioni spaziali nei loro laboratori a stato pulito – qui: pre- pulizia di un componente di un satellite. (Fonte: Fraunhofer IPA, foto: Rainer Bez)

Componenti utilizzati in una missione spaziale devono essere puliti in modo scrupoloso. Ricercatrici e ricercatori dell'Fraunhofer hanno progettato, su incarico dell'ESA, un ambiente di sala bianca in cui anche le contaminazioni nel range dei nanometri possono essere rimosse. Insieme ai partner, gli esperti puliscono e sterilizzano il rover marziano ExoMars, che dovrebbe essere lanciato nel 2018.

Le missioni spaziali comportano costi enormi. Poiché un satellite senza equipaggio, una volta lanciato, non può più essere riparato, nessun componente o dispositivo può fallire – altrimenti tutti gli sforzi sarebbero vani e gli scienziati dovrebbero attendere molti anni per una missione di sostituzione. Per questo motivo, nessuno sporco può bloccare la meccanica, causare un cortocircuito o disturbare l'elettronica. In particolare, devono essere estremamente pulite le sonde spaziali che cercano tracce di vita su un pianeta sconosciuto. È proprio questo l'obiettivo della missione europea su Marte ExoMars, il cui lancio è pianificato per il 2018. Una sonda di atterraggio si poserà sul pianeta vicino e invierà un veicolo delle dimensioni di uno smartphone. Per garantire che i sensori, alla ricerca di vita, funzionino affidabilmente, non si può introdurre materiale organico dalla Terra. Questo potrebbe provocare falsi allarmi.

Componenti sterili

Che tutti i componenti siano assolutamente sterili e che nemmeno residui di microbi morti rimangano nelle fessure, è garantito da ricercatrici e ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione e automazione IPA, su incarico dell'Agenzia Spaziale Europea ESA. Per poter sterilizzare in modo affidabile il rover marziano e rimuovere anche contaminazioni nel range dei nanometri, gli esperti di Stoccarda hanno progettato un ambiente di sala bianca per l'ESA, allestito a Noordwijk, nei Paesi Bassi, sede del Centro europeo di ricerca e tecnologia spaziale (ESTEC). La zona di circa 70 metri quadrati, controllata dal punto di vista della purezza, soddisfa i più elevati requisiti della classe ISO 1. Ciò significa che un metro cubo di aria contiene non più di 10 particelle di 0,1 micrometri di diametro. Per fare un confronto: nell'aria normale della città si trovano circa 10^10 particelle per metro cubo, e con lo smog anche di più.

Gli esperti dell'IPA non hanno solo pianificato la sala bianca, ma si sono occupati anche della garanzia della qualità, della realizzazione, delle misurazioni di accettazione e dell'avvio operativo. «In sostanza, abbiamo preparato un pacchetto completo. Abbiamo stabilito come dimensionare lo spazio, scelto le tecnologie di purezza e pulizia, i sistemi di ventilazione e filtrazione, i rivestimenti del pavimento, i sistemi di sterilizzazione e fornito raccomandazioni per i partner industriali che costruiranno la sala», spiega Udo Gommel, responsabile del reparto di microproduzione e sala bianca presso l'IPA di Stoccarda. Per mantenere il massimo livello di purezza, i dipendenti dell'ESA devono passare attraverso più camere di decontaminazione e una doccia d'aria, indossando tute di alta purezza. All’interno delle zone di purezza si mantiene una leggera pressione positiva, per evitare che aria non filtrata entri. Inoltre, un flusso d’aria laminare, che dalla soffitta scende verso il pavimento, assicura che non rimanga polvere nell’ambiente. Con una velocità di flusso di 50 centimetri al secondo, tutta l’aria della stanza viene rinnovata in pochi secondi. Particelle che si formano, ad esempio, quando un ingegnere ESA sfrega i guanti tra loro, scompaiono rapidamente nel pavimento perforato.

Pulizia con neve di anidride carbonica

Per sterilizzare il rover marziano si è dimostrato efficace un metodo sviluppato presso l'IPA, brevettato e ulteriormente perfezionato. Originariamente, questa tecnica veniva usata negli USA per rimuovere la vernice dalle fiancate degli aerei. Un getto di cristalli di dimensione di chicchi di riso di anidride carbonica congelata rimuoveva letteralmente la vernice dal metallo. Gli esperti di Stoccarda hanno perfezionato questa tecnica, passando dai cristalli di ghiaccio alla neve di CO2. La novità consiste nel fatto che il getto, che esce dal ugello, viene accelerato da un getto di azoto. In questo modo, penetra in tutte le fessure e rimuove anche le più piccole contaminazioni. Quando i minuscoli fiocchi di neve colpiscono la superficie relativamente calda, si trasformano in gas. Il loro volume si espande in modo esplosivo di circa 800 volte. La pressione di detonazione elimina ogni traccia di sporco. È possibile rimuovere anche impronte digitali. «La pulizia con neve di CO2 è un metodo asciutto, che non fa gonfiare le superfici», spiega Gommel, evidenziando il vantaggio di questa tecnica. A seconda delle caratteristiche dei componenti, i ricercatori combinano questa tecnica con altre, come la pulizia con plasma o con panni e lavaggi. La sala bianca è già in funzione; gli esperti dell'IPA la ottimizzano e la aggiornano continuamente con tecnologie di purezza e pulizia adattate, migliorano il flusso di materiali e forniscono consulenza all'ESA sui costi operativi. Oltre all'ESA, altre istituzioni nazionali come Thales Alenia Space Italy, un'azienda italiana di settore aerospaziale, utilizzano questa sala per le loro missioni spaziali. Anche altre agenzie spaziali, come la NASA, si avvalgono della consulenza di Gommel e del suo team. «Siamo un partner di cooperazione molto richiesto e riconosciuto in questo settore di ricerca», afferma l'ingegnere. Lo scienziato di Stoccarda partecipa ai comitati che si occupano della standardizzazione dei metodi di pulizia. Gommel lavora sia per la ISO, l'Organizzazione internazionale per la standardizzazione, sia per l'ECSS, la Cooperazione europea per gli standard spaziali. Quando si tratta del ruolo dell'IPA nel settore aerospaziale, Gommel parla volentieri di «Hidden Champion». Perché Hidden Champion non significa solo un vincitore nascosto, ma anche un leader mondiale sconosciuto.