Rein in alles

Voorreiniging van een massief satellietonderdeel (Bron: Fraunhofer IPA) / Pre-cleaning van een zwaar satellietonderdeel (Bron: Fraunhofer IPA)

NFC-tags voor het traceren van de netheid van onderdelen (Bron: Fraunhofer IPA)

Beoordeling van de microbacteriële steriliteit van een onderdeel ter bescherming van planeten tegen besmetting door microben. (Bron: Fraunhofer IPA) / Assessing the microbacterial sterility of a component to protect planets from contamination by germs. (Source: Fraunhofer IPA)

IPA.Klep – De door magnetisme bediende klep (Bron: designarmada, Foto: Jens Kramer) / Figuur 4: IPA.Klep – De magnetisch bediende klep (Bron: designarmada, Foto: Jens Kramer)

Betrouwbare energievoorziening – onmisbaar voor de lucht- en ruimtevaart (Bron: Fraunhofer IPA, Foto: Heike Quosdorf) / Figuur 5: Betrouwbare energievoorziening – een absolute noodzaak voor ruimtevaart

ExoMars Rover (Bron: ESA) / ExoMars Rover (Bron: ESA)

Onderdelen die bij een ruimtevaartmissie worden gebruikt, moeten zorgvuldig worden gereinigd. Het Fraunhofer IPA heeft zich hier binnen enkele jaren een naam verworven – vooral omdat het niet alleen reinigt, maar ook exacte uitspraken kan doen over de kwaliteit van zijn werk. Daartoe beschikt het instituut in Stuttgart over hoogprecisie analyse-apparatuur. Bovendien beschikt het over de meest geavanceerde cleanrooms ter wereld.

Alles begon met een verrassend verzoek. Het Europees Ruimtevaartagentschap ESA wilde weten of het Fraunhofer IPA in staat was om verschillende onderdelen van een Mars-missie te steriliseren. Udo Gommel, de leidinggevende van het verantwoordelijke bedrijfsveld »Elektronica en Mikrosystemtechniek«, rekende niet op grote kansen om deze veeleisende taak op zich te nemen. Want hij was niet de enige die werd gevraagd. Bovendien kon hij geen ervaring in de lucht- en ruimtevaart voorleggen. »Ik dacht, als productie-ingenieur vlieg ik er meteen weer uit«, herinnert hij zich. Hij was in ieder geval bekend met het reinigen van delicate elektronische onderdelen, bijvoorbeeld in de halfgeleiderindustrie of medische techniek. Daarnaast kon hij zich meten met een van de beste cleanroomlaboratoria ter wereld. En dat gaf uiteindelijk de doorslag: hij kreeg de opdracht. Dat was zeven jaar geleden. Inmiddels is de lucht- en ruimtevaart uitgegroeid tot een vaste pijler binnen zijn vakgebied. Momenteel lopen ongeveer 20 projecten met verschillende accenten. »Als je eenmaal in de branche voet aan de grond hebt, word je rondgereikt«, zegt Gommel. Wanneer het gaat om bijzonder moeilijke vraagstukken, wanneer commerciële oplossingen niet werken en onderzoek nodig is, zijn de Duitsers uit Stuttgart in de race.

Veiligheid heeft de hoogste prioriteit

In de lucht- en ruimtevaart heeft veiligheid de hoogste prioriteit, want het gaat om mensenlevens – en om heel veel geld. Valt een vliegtuig neer, dan sterven meteen honderden passagiers. En een ruimtevaartmissie kost vaak zoveel als een hele wolkenkrabber. Omdat een onbemande ruimtesonde, eenmaal gelanceerd, niet meer te repareren is, kan zelfs het falen van een klein onderdeel tot een catastrofe leiden. Dan waren alle inspanningen voor niets en moeten wetenschappers vele jaren wachten op een vervangingsmissie. »Failure is not an option«, wordt daarom gezegd in de lucht- en ruimtevaart. Geen onderdeel, geen apparaat mag falen. Vervuilingen spelen daarbij een bijzondere rol. Want vuil is giftig voor alle materialen: het kan de mechaniek blokkeren, kortsluiting veroorzaken of de elektronica verstoren. Vooral gevaarlijk wordt het wanneer het om een sonde gaat die sporen van leven op een vreemde planeet moet zoeken. Daar draait het bij de Europese Mars-missie »ExoMars« om, waarmee de Duitsers uit Stuttgart nog altijd bezig zijn. In 2018 moet »ExoMars« starten. Een landingsvoertuig zal dan op de buurplaneet landen en een voertuig van de grootte van een Smart sturen. Om zijn sensoren, die op zoek zijn naar leven, betrouwbaar te laten werken, mag hij geen organisch materiaal van de aarde meebrengen. Anders gaat het hem zoals zijn Amerikaanse voorganger »Curiosity«, die in 2012 een succes meldde. De experts analyseerden de gevonden stoffen maandenlang met boordapparatuur – totdat ze concludeerden dat het om een valse alarm ging: de apparaten hadden aardse contaminaties gedetecteerd. Om dergelijke storingen te voorkomen, moeten alle onderdelen absoluut kiemvrij zijn. Niet eens resten van dode microben mogen in kieren blijven kleven. Ook om ecologische redenen is zulke pietluttigheid inmiddels vaste prik in de ruimtevaart. Instellingen zoals ESA en NASA hebben zich verplicht in het »Planetary Protection Program« om geen kiemen van de aarde op andere planeten te brengen. Bovendien moeten ze voorkomen dat risicovolle stoffen van vreemde werelden naar de aarde terugkeren – voor het geval een terugvlucht wordt gepland. Euforische scènes zoals in 1969 zouden vandaag ondenkbaar zijn. Toen werden de eerste maanlanders, nauwelijks terug, door veel enthousiaste mensen omarmd. En ze overhandigden de toenmalige president Richard Nixon een koffertje met maanstenen. Inmiddels is er een speciale »Planetary Safety Officer«, die erop toeziet dat dergelijke incidenten niet meer gebeuren en dat alle regels worden nageleefd. In Stuttgart is hij vaak te gast.

De schoonste cleanroom ter wereld

Om de Mars-rover betrouwbaar te kunnen steriliseren, hebben de experts uit Stuttgart voor ESA een cleanroom ontworpen en ingericht in Noordwijk, Nederland, de locatie van het Europese Ruimtevaart- en Technologiecentrum (ESTEC). Want een veilige reiniging is alleen mogelijk in een cleanroom; anders zouden de talloze stofdeeltjes die in de lucht zweven, onmiddellijk weer voor besmetting zorgen. De meest geavanceerde cleanroom ter wereld bevindt zich bij het Fraunhofer IPA. Hij voldoet aan de hoogste reinheidsnormen, ISO-klasse 1. Dit betekent dat een kubieke meter lucht niet meer dan 10 deeltjes van 0,1 micrometer groot mag bevatten. In een ruimte van ISO-klasse 9, een cleanroom van relatief mindere kwaliteit, zouden dat 10^9 deeltjes zijn, dus een miljard keer zoveel. In normale stadslucht zweven ongeveer 10^13 deeltjes per kubieke meter, bij smog nog meer. Om de hoogste reinheidsnorm te handhaven, moet men veel inspanning leveren. Dat merkt de bezoeker al zodra hij het IPA-gebouw betreedt: direct achter de deur wordt hij tegengehouden door een kniehoog drempel. Voordat hij deze overstijgt, moet hij plastic overschoenen aantrekken. Roken is in het hele gebouw verboden. Deze voorzorgsmaatregelen verminderen het aantal deeltjes echter slechts met een factor 10.

De echte cleanrooms, alleen via sluizen te betreden, zijn hermetisch afgesloten: een soort huis in huis. Men ziet de wetenschappers in hun steriele pakken achter hoge glazen wanden werken. Binnen heerst een lichte overdruk, zodat geen ongefilterde lucht kan binnendringen. Bovendien zorgt een laminaire luchtstroom, die van plafond naar vloer leidt, ervoor dat geen stofdeeltje in de ruimte blijft hangen. Bij een stromingssnelheid van 50 centimeter per seconde wordt alle lucht in enkele seconden ververst. Deeltjes die bijvoorbeeld ontstaan wanneer een wetenschapper zijn handschoenen aan elkaar wrijft, verdwijnen snel in de geperforeerde vloer. Om verstoringen te voorkomen die de luchtverversing zouden kunnen verstoren, hebben de ingenieurs afgezien van een plafondkraan. Het hele plafond is voorzien van filterelementen. En de vloer is verhoogd om de lucht schoon af te zuigen. In deze ultrareine omgeving kan men zelfs meten hoeveel slijtage ontstaat bij het bewegen van een robotarm of kabel. Soortgelijke installaties van ISO-klasse 1 bestaan wereldwijd alleen in Nederland en Roemenië. Beide zijn ontworpen door IPA-experts. De cleanrooms van Stuttgart zijn echter de grootste. De indrukwekkendste heeft een hoogte van 6,50 meter. De verhoogde vloer kan een belasting van 6 ton per vierkante meter dragen, wat hem uniek maakt in de wereld.

Kooldioxide-sneeuw en ultrasone methoden

Voor het steriliseren van de Mars-rover heeft zich een methode bewezen die bij het Fraunhofer IPA is ontwikkeld en gepatenteerd. Het is eigenlijk een verdere ontwikkeling. Oorspronkelijk werd de methode in de VS toegepast om de verf van vliegtuigrompen te verwijderen. Een harde straal van kristallen ter grootte van rijstkorrels van bevroren kooldioxide spuit de verf bijna van het metaal af. De Duitsers hebben het grove instrument sterk verfijnd. In plaats van ijskristallen gebruiken ze nu kooldioxide-sneeuw. Het slimme is dat de straal die uit de nozzle komt, wordt versterkt met een omhullende stikstofstraal. Zo dringt hij in alle kieren door en verwijdert zelfs de kleinste vervuilingen. Zodra de kleine sneeuwvlokjes de relatief warme oppervlakte raken, worden ze gasvormig, waarbij hun volume explosief met een factor 800 toeneemt. De detonatiedruk veegt alle vuiligheid volledig weg, zelfs vingerafdrukken die het koude gas daarvoor broos had gemaakt. Het enige nadeel: kooldioxide is duur. Voor 1000 euro krijg je slechts 30 kilogram – en die zijn al na tien minuten verdwenen. Het Fraunhofer IPA heeft daarom een verwerkingsinstallatie geïnstalleerd die alleen al 800.000 euro heeft gekost.

De kooldioxide-beschieting is slechts een van de vele methoden om industriële onderdelen te reinigen. Er zijn ongeveer drie dozijn andere technieken, waarin het Fraunhofer IPA momenteel fors investeert. Van vegen of spoelen tot plasmareiniging. Sommige methoden, zoals ultrasoon reinigen, zijn afhankelijk van een vochtige of vloeibare omgeving. Ze zijn daarom niet geschikt voor elektronische of elektrische componenten. Andere, zoals de kooldioxide-methode, werken droog – en zijn daardoor bijzonder zacht. Er is grof- en fijnreiniging, voor- en eindreiniging. Welke methode uiteindelijk wordt gebruikt, hangt af van de eisen aan de reinheid en het type onderdeel. De hoogste eisen worden gesteld door de halfgeleiderindustrie, die hiermee de voortrekker is geworden in reinigingstechnologie. Want de structuren op de chips zijn inmiddels zo klein dat zelfs een deeltje van enkele nanometers een kortsluiting kan veroorzaken. In de automobielindustrie is het minder streng. Hier worden deeltjes vanaf een grootte van 200 micrometer als kritisch beschouwd, vooral vanwege metallische contaminaties. De ruimtevaart ligt daar ongeveer tussenin. Haar norm ligt meestal bij deeltjes van één micrometer.

Miljoen-euro-onderdeel: reiniging in recordtijd

Toch wordt in de ruimtevaart op een andere manier bijzonder nauwkeurig gewerkt. Elk onderdeel wordt afzonderlijk bewerkt, van het aluminium frame tot de ringen. Productielijnwerk is in deze branche ondenkbaar. Elke bewerking wordt nauwkeurig gedocumenteerd. In de toekomst zullen NFC-tags daarbij helpen. Ze slaan informatie op over de bewerkingsstatus van elk onderdeel. Zo kan zelfs de geschiedenis van een klein schroefje worden gereconstrueerd, van productie tot eindmontage. Alleen zo is het mogelijk om bij een storing de oorzaak te achterhalen. Met de reiniging van de onderdelen is het natuurlijk niet gedaan. Daarna moeten ze worden verpakt, zodat ze niet meteen weer vervuild raken. Dat klinkt eenvoudig, maar is ook zeer veeleisend. Want het verpakkingsmateriaal kan deeltjes loslaten en opnieuw voor besmetting zorgen. Het meest betrouwbaar zijn roestvrijstalen containers, die speciaal worden gemaakt. In die containers liggen de onderdelen soms jarenlang, totdat een satelliet eindelijk kan vertrekken.

Hoeveel inspanning de experts moeten leveren bij de reiniging, was te zien in november vorig jaar. Het Fraunhofer IPA moest alle 13.000 onderdelen van een aardobservatiesatelliet reinigen. Het grootste onderdeel was een aluminium segment, dat in maandenlange arbeid uit een massieve blok van 4 ton was gefreesd. Bij het reinigen van deze delicate structuur moest uiterst zorgvuldig worden gewerkt om zelfs de kleinste beschadiging te voorkomen. Alleen deze aluminiumstructuur kostte de medewerkers van het instituut veel moeite. Voor de voorreiniging van het zware onderdeel zou de cleanroom-filterdeken moeten worden opgerukt voor het gebruik van een plafondkraan. Maar dan zou de optimale luchtstroom niet meer gegarandeerd zijn. Een tijdelijke decontaminatiecel bood uitkomst, die voldeed aan de hoogste eisen op het gebied van netheid en de lastproblematiek. Er was haast geboden om het strakke tijdschema van het project niet in gevaar te brengen. Binnen een week werd de tijdelijke cleanroom gerealiseerd, ter grootte van een klein woonhuis.

Het brede dienstenpakket van het Fraunhofer IPA maakt zelfs verdere bewerkingen mogelijk op locatie, zoals bijvoorbeeld lakken. Zo wordt transport en het risico op hernieuwde besmetting uitgesloten. Veel inspanning is ook nodig om de kwaliteit van een reinigingsproces te beoordelen. Wanneer het gaat om deeltjes in micro- of nanometerformaat, en men ook nog precies wil weten hoeveel, zijn hoogprecisie-apparaten vereist. Het Fraunhofer IPA schuwt hier geen moeite voor. Een volledig automatisch veldemissie-rasterelektronenmicroscoop kan zelfs nanometerkleine deeltjes opsporen. Van een mobieltjessmall onderdeel kan hij de gehele oppervlakte scannen en de deeltjes tellen die erop kleven. Ook staat er een rasterkrachtmicroscoop in Stuttgart, die de oppervlakken afstruikt met een fijne naald. En een thermodesorptie-gaschromatograaf met massaspectrometrie koppeling vindt zelfs de kleinste sporen van organische verontreinigingen.

Praktijkgerichte standaarden vastleggen

Alleen met deze inspanning is het mogelijk om de optimale reinigingsmethode voor bepaalde toepassingen te vinden en verschillende reinigingsmethoden met elkaar te vergelijken. Daarom zitten de wetenschappers uit Stuttgart in de commissies die verantwoordelijk zijn voor de standaardisering van reinigingsmethoden. Gommel is actief voor zowel ISO, de International Organization for Standardization, als voor de ECSS, de European Cooperation on Space Standardization. Hier zit hij in de werkgroep »Cleaning«, daar leidt hij het richtlijnenblad »Ultraprecisie-reiniging van vluchthardware«.

Naast reiniging kan het Fraunhofer IPA ook in veel andere belangrijke gebieden ondersteuning bieden, zoals bijvoorbeeld energiemanagement. Een betrouwbare energievoorziening is cruciaal voor het succes van een missie. Het nieuwste voorbeeld hiervan is het signaalverlies met het mini-laboratorium »Philae«, toen kort na de landing op komeet »Tschuri« de stroom uitviel.

Wanneer het gaat om de rol van het Fraunhofer IPA in de lucht- en ruimtevaart, spreekt Gommel graag van de »Verborgen Kampioen«. Zo heeft hij zich gevoeld toen de ESA hem zeven jaar geleden voorrang gaf boven de verzamelde concurrentie. Dat geldt waarschijnlijk nog steeds. Want een »Verborgen Kampioen« staat niet alleen voor een heimelijke winnaar, maar ook voor een onbekende wereldmarktleider.