Volle kracht vooruit op ALLES

De wetenschappers bereiden regelmatig instrumenten voor ruimtevaartmissies voor in hun cleanroomlaboratoria – hier: voorreiniging van een satellietonderdeel. (Bron: Fraunhofer IPA, foto: Rainer Bez)

Componenten die bij een ruimtemissie worden gebruikt, moeten uiterst zorgvuldig worden gereinigd. Onderzoekers van het Fraunhofer-instituut voor productie- en automatiseringstechniek IPA hebben in opdracht van ESA een cleanroom ontworpen, waarin zelfs vervuilingen op nanometerschaal verwijderd kunnen worden. Samen met partners reinigen en steriliseren de experts de Marsrover ExoMars, die in 2018 gelanceerd moet worden.

Ruimtemissies brengen enorme kosten met zich mee. Omdat een onbemande ruimtevaartuig, eenmaal gelanceerd, niet meer gerepareerd kan worden, mag geen enkel onderdeel, geen enkele machine falen – anders zijn alle inspanningen voor niets, en moeten wetenschappers vele jaren wachten op een vervangingsmissie. Daarom mag geen vuil de mechaniek blokkeren, kortsluiting veroorzaken of de elektronica verstoren. Vooral uiterst schoon moeten ruimtevaartuigen zijn die sporen van leven op een vreemde planeet willen zoeken. Daar draait het precies om bij de Europese Marsmissie ExoMars, waarvan de lancering gepland is voor 2018. Een landingsvoertuig zal dan op de naburige planeet landen en een voertuig van de grootte van een Smart sturen. Om ervoor te zorgen dat de sensoren die naar leven zoeken betrouwbaar werken, mag geen organisch materiaal van de aarde worden meegenomen. Dit zou kunnen leiden tot valse alarmen.

Veiligheidsvrije onderdelen

Dat alle onderdelen absoluut vrij van microben zijn en zelfs resten van dode microben niet in kieren blijven plakken, zorgen onderzoekers van het Fraunhofer-instituut voor productie- en automatiseringstechniek IPA in opdracht van de Europese Ruimteorganisatie ESA. Om de Marsrover betrouwbaar te kunnen steriliseren en zelf vervuilingen op nanometerschaal te verwijderen, hebben de experts uit Stuttgart een cleanroom ontworpen en ingericht in Noordwijk, Nederland, de locatie van het Europese ruimtevaart- en technologisch centrum (ESTEC). Het ongeveer 70 vierkante meter grote, reinheidstechnisch gecontroleerde gebied voldoet aan de hoogste eisen van ISO-klasse 1. Dit betekent dat een kubieke meter lucht niet meer dan 10 deeltjes van 0,1 micrometer grootte bevat. Ter vergelijking: in normale stadslucht zweven ongeveer 10^10 deeltjes per kubieke meter, bij smog nog meer.

De experts van het IPA hebben niet alleen de cleanroom gepland, maar ook de kwaliteitsborging, realisatie, acceptatiemeting en inbedrijfstelling op zich genomen. "In principe hebben we een alles-in-één pakket samengesteld. We bepaalden de afmetingen van de ruimte, maakten de selectie van de reinheids- en reinigingstechniek, de installaties en ventilatietechniek, de vloerbedekkingen, de filtratiesystemen en het sterilisatieapparatuur, en gaven aanbevelingen voor industriële partners die de ruimte bouwen," zegt Udo Gommel, hoofd van de afdeling Reine- en Microproductie bij Fraunhofer IPA in Stuttgart. Om de hoogste reinheidsklasse te handhaven, moeten ESA-medewerkers meerdere luchtschermen en een luchtdouche passeren en uiterst schone kleding dragen. Binnen de reinheidsgebieden heerst een lichte overdruk, zodat geen ongefilterde lucht kan binnendringen. Daarnaast zorgt een laminaire luchtstroom, die van het plafond naar de vloer leidt, ervoor dat geen stofdeeltjes in de ruimte blijven hangen. Bij een stroomsnelheid van 50 centimeter per seconde wordt de volledige ruimtelucht binnen enkele seconden ververst. Deeltjes die bijvoorbeeld ontstaan wanneer een ESA-ingenieur zijn handschoenen aan elkaar wrijft, verdwijnen snel in de geperforeerde vloer.

Reiniging met kooldioxidesneeuw

Voor het steriliseren van de Marsrover is een methode ontwikkeld die bij het IPA verder is verfijnd en gepatenteerd. Oorspronkelijk werd deze methode in de VS toegepast om de verf van vliegtuigrompen te verwijderen. Een harde straal van bevroren kooldioxide-kristallen, ter grootte van rijstkorrels, spuit de verf letterlijk van het metaal. De experts uit Stuttgart hebben dit grove instrument sterk verfijnd. In plaats van ijskristallen gebruiken ze nu kooldioxidesneeuw. Het slimme is dat de straal die uit de nozzle komt, wordt versneld door 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. Daarbij zet hun volume zich explosief uit tot wel 800 keer. De detonatiekracht veegt elk vuil restloos weg. Zelfs vingerafdrukken kunnen hiermee worden verwijderd. "De CO2-sneeuwstraalreiniging is een droog proces dat oppervlakken niet doet opzwellen," legt Gommel uit over het voordeel van deze methode. Afhankelijk van de aard van de onderdelen combineren de onderzoekers deze methode met andere technieken zoals plasma- of wis- en spoelreiniging. De cleanroom is al in gebruik, en de experts van het IPA blijven hem optimaliseren en verder uitrusten met aangepaste reinheids- en reinigingstechniek, het materiaalstroom verbeteren en ESA adviseren over bedrijfskosten. Naast ESA maken ook andere nationale instellingen zoals Thales Alenia Space Italy, een Italiaans ruimtevaartbedrijf, gebruik van de ruimte voor hun ruimtemissies. Ook andere ruimtevaartautoriteiten zoals NASA laten zich adviseren door Gommel en zijn team. "Wij zijn een gewilde en erkende samenwerkingspartner voor deze onderzoeksrichting," zegt de ingenieur. De Stuttgartse wetenschapper zit in de commissies die verantwoordelijk zijn voor de standaardisering van reinigingsmethoden. Gommel is zowel actief voor ISO, de International Organization for Standardization, als voor de ECSS, de European Cooperation for Space Standardization. Als het gaat om de rol van het IPA in de lucht- en ruimtevaart, spreekt Gommel graag van de "Hidden Champion". Want een Hidden Champion staat niet alleen voor een heimelijke winnaar, maar ook voor een onbekende wereldmarktleider.