Czysta lotnictwo i kosmonautyka

[2] Teleskop Hubble'a (Prawa autorskie Pixabay)

[1] Droga mleczna (Copyright Stefan Dittel)

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

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

[5] Pomiar kwalifikacji – DITTEL Engineering (Copyright DITTEL Engineering)

[6] Cząstki na żaglu słonecznym (Copyright Airbus D&S)

[7] Wszechświat (Prawa autorskie Pixabay - Zdjęcie autorstwa Pexels z Pixabay)

[8] Moduł zwierciadlany ATHENA (Copyright Airbus D&S)

[9] Kontener transportowy (Copyright Airbus D&S)

[10] Start – Kourou / Gujana Francuska (Copyright Airbus D&S)

(Prawa autorskie Shutterstock)

Prof. Dr. Gernod Dittel

Dr. Berthold Vogt

Reinraum jest salą obrotową wszystkich satelitów. Zanim wyruszą w kosmos, wszystkie sztuczne ciała niebieskie tutaj ujrzą światło świata, który wkrótce opuścić będą musiały na zawsze. Ponieważ błędy później nie mogą zostać skorygowane, podczas montażu i transportu należy wyeliminować wszystkie źródła błędów, nawet te najmniejsze.

Osiągnięcia firm nowicjuszy, takich jak SpaceX, pokazują przede wszystkim jedno: w komercyjnej przestrzeni kosmicznej panuje atmosfera przełomu. Nie tylko przedsiębiorstwa, ale także agencje kosmiczne wielu krajów wyznaczyły ambitne cele.

Pomijając ogłoszenie Marka Södera o własnym programie kosmicznym Bawarii („Bavaria One”), Niemcy występują raczej skromnie. Aby nie zostać w tyle, Federalne Stowarzyszenie Niemieckiego Przemysłu (BDI) domaga się znacznego zwiększenia niemieckiego budżetu na kosmos.

W swoim dokumencie zasadniczym „Przyszłościowy rynek kosmosu” BDI cytuje prognozy firm doradczych. Według nich światowy rynek technologii kosmicznych w ciągu najbliższych 20 lat zwiększy się dziesięciokrotnie. Obroty mają wzrosnąć z 260 miliardów euro (2019) do 2 700 miliardów euro w 2040 roku. Szacuje się, że udział niemieckich firm wyniesie obecnie około 3 miliardów euro.

Relacje na temat postępu przemysłu skupiały się na egzotycznie brzmiącej propozycji utworzenia w Niemczech miejsca startu rakiet. Nieco mniej uwagi poświęcono faktowi, że chodzi jedynie o „Micro Space Port”, z którego mogłyby startować jedynie mniejsze rakiety z małymi satelitami. Imponujące obrazy startów rakiet w odległych krajach odciągają uwagę od faktu, że niemiecki przemysł kosmiczny często bierze w nich udział. W swoich technicznych niszach niemieccy naukowcy, inżynierowie i usługodawcy odgrywają ważne role. 190-stronicowy przegląd branży „Niemcy w kosmosie” opracowany przez Niemieckie Centrum Lotnictwa i Kosmosu (DLR) wymienia dziesiątki firm i instytucji w każdym kraju związkowym, które przyczyniają się do nowoczesnej kosmonautyki. Prawie wszyscy mają coś wspólnego: czysty pokój. Bo bez czystego pokoju nie ma kosmosu.

Niemcy inwestują w czyste pokoje zamiast rakiet

W kosmosie to drobne rzeczy powodują, że wielkie przedsięwzięcia kończą się niepowodzeniem. Podczas startu Ariane 4 w 1990 roku przyczyną katastrofy i utraty dwóch satelitów był ścierka w rurze, która spowodowała upadek i utratę. Do dziś trwa spór, czy była to sabotaż, czy niedbalstwo. W 1994 roku doszło do dwóch nieudanych startów, ponieważ zanieczyszczenia unieruchomiły turbinową pompę do ciekłego tlenu. Coś takiego nie zdarza się tylko Europejczykom, czyli Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Na przykład NASA potrzebowała pięciu misji naprawczych, aby naprawić błąd produkcyjny w teleskopie Hubble.

Wielki główny lustro, które było starannie szlifowane przez miesiące, było o kilka mikrometrów płytsze, niż powinno, aby uzyskać ostre skupienie. Dowiedzieli się o tym dopiero na końcu.

Przykłady te pokazują specyfikę technicznych wymagań w kosmonautyce: urządzenia i satelity muszą być w 100 procentach sprawne, gdy docierają do miejsca użycia — czy to jest przestrzeń bliska Ziemi, inna planeta, czy podróż poza Układ Słoneczny. Po dotarciu w kosmos, naprawy są zwykle niemożliwe. Wyjątki kosztują ogromne wysiłki.

Na orbicie części satelitów nie można już wyczyścić. Nawet najmniejsze cząsteczki mogą zagrozić powodzeniu misji. Rozmazane optyki, zabrudzone styki, nieczyste łożyska — to słabe punkty, które trzeba wyeliminować. Inżynierowie nauczyli się tego na podstawie bolesnych i kosztownych doświadczeń w historii kosmonautyki.

Analiza błędów po wypadkach prowadzi do specyficznych działań — na przykład w przypadku ścierki do rakiet, od tego czasu przed startem endoskopowo sprawdza się wąskie przewody. Przede wszystkim nauka ta doprowadziła do tego, że dziś satelity są produkowane w znacznie bardziej osłoniętych i chronionych atmosferą warunkach niż dawniej.

Najważniejszym wnioskiem w zapobieganiu takim kosztownym drobnym błędom jest ciągle rozwijany czysty pokój. Jego powstanie jest ściśle związane z kosmonautyką XX wieku. Aby rozwijać niemiecką rakietę V2 po wojnie, Amerykanie zbudowali jeden z pierwszych technicznych czystych pokoi, w którym montowali urządzenia sterujące rakietami. Ten pokój był jeszcze wykończony ze stali nierdzewnej — w przekonaniu, że kurz na nim się nie osadzi, tylko szybko opadnie na podłogę. Jednak tak się nie stało. Ponieważ funkcje sterowania i kontroli samolotów i rakiet miały coraz większą precyzję, rosło też zapotrzebowanie na dokładność produkcji. W ten sposób rozwój technologii czystych pokoi wspierał kosmonautykę, podobnie jak ona wyznaczała trendy i budżety dla branży.

Maxymalizacja niezawodności systemów kosmicznych to główny wkład dzisiejszych czystych pokoi w komercyjną i naukową kosmonautykę. Obniżają one wskaźnik błędów w nośnikach i ładunkach użytkowych. Satelity powstają w długim łańcuchu czystych pokoi. Od produkcji komponentów, przez montaż — w technice satelitarnej zwane „integracją” — aż po transport na miejsce startu i w końcu do kosmosu. Również poszukiwanie słabych punktów w dużych laboratoriach testowych, które zwykle trwają kilka miesięcy, odbywa się w środowisku czystego pokoju. Podczas integracji obowiązuje wysoki standard jakości. Wszystkie kroki są kontrolowane i dokumentowane. Oprócz wymagań systemów dotyczących czystości, krytycznym czynnikiem jest dyscyplina pracowników.

Na czystym i uporządkowanym stanowisku pracy równie ważna jest odpowiedzialność pracownika. Głównym źródłem zanieczyszczeń w czystym pokoju jest człowiek, który emituje od jednej do ponad 10 milionów cząstek ≥0,3 µm na minutę. Aby zredukować ten wkład, pracownicy w czystych pokojach noszą odzież ochronną. Chroni ona raczej produkt, a nie personel — inaczej niż kombinezony kosmiczne.

W Niemczech niedawno powstały dwie ogromne hale z miejscami pracy dla montażystów satelitów. Zintegrowane Centrum Technologii (ITC) w Friedrichshafen otwarto w 2019 roku, według własnych danych, jako „najnowocześniejsze w Europie centrum integracji satelitów i technologii kosmicznych”. Powierzchnia czystego pokoju w tym miejscu została potrojona. Na 4000 m² można jednocześnie produkować kilka satelitów, sond i ich instrumentów, w zależności od wymagań w różnych klasach ISO.

Rok później konkurent OHB w Bremie ukończył nową halę integracyjną. Nazywana „Hala PLATO”, czysty pokój klasy ISO-8 o powierzchni około 1400 m² i wysokości około 11 metrów jest największym czystym pokojem grupy OHB. Wartość inwestycji wyniosła 15 milionów euro, a w budynek mają być zbudowane między innymi teleskopy do obserwacji przestrzeni kosmicznej, w tym observatorium PLATO.

Wymagania dotyczące czystości między kontrolą wizualną a zagrożeniem biologicznym

Najwyższe wymagania dotyczą satelitów badawczych, które mają lądować na innych planetach lub kometach. Nie mogą one zawierać ani cząstek zakłócających, ani żadnych zarazków. Jeśli by się tam znalazły zarodniki lub bakterie, zakłóciłyby pomiary poszukiwania śladów życia pozaziemskiego. Ponadto naruszałyby międzynarodowe umowy, a dokładniej — specjalną część „Umowy o zasadach regulujących działalność państw w badaniach i korzystaniu z przestrzeni kosmicznej, w tym Księżyca i innych ciał niebieskich”, zwanej umową kosmiczną. W trakcie misji Viking na Marsa USA i ZSRR uzgodniły w 1967 roku, aby zachować ostrożność poza Ziemią. Nie wolno wprowadzać na inne planety obcych form życia i organizmów, które mogłyby wpłynąć na ich rozwój. Od tego czasu do tego zasadniczego postanowienia przystąpiło 110 państw kosmicznych, w tym RFN w 1971 roku. Od tego czasu lądowniki są najbardziej rygorystycznie czyszczonymi urządzeniami w przestrzeni kosmicznej. Całkowicie wolne od zarazków jest niemożliwe.

Dlatego przed każdym etapem pracy lub przed wyjazdem konieczna jest kompleksowa sterylizacja — i jest to konieczne. Jak wiadomo dziś, ziemskie zarazki mogą rozwijać własne życie w przestrzeni kosmicznej. Eksperymenty na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) wykazały, że nawet próżnia nie zabija niektórych bakterii. Inny rozdział dotyczący czystych pokoi zajmuje się zarazkami, które na pokładzie załogowych statków kosmicznych są (niemal) nie do opanowania. Kultury grzybów miały się na przykład bardzo dobrze za osłonami na stacji MIR.

Samą higieną niewiele można osiągnąć, jeśli ludzie zmuszeni są do długotrwałego życia i pracy w ciasnym, zamkniętym systemie.

Misje satelitów na obce planety lub komety zdarzają się bardzo rzadko. Dlatego do ich integracji przystosowuje się istniejące czyste pomieszczenia, zwykle klasy ISO-5. Podczas przerw w pracy włączane są lampy UV, które zabijają zarazki w powietrzu. Niektóre komponenty lub zespoły można sterylizować, poddając je promieniowaniu radioaktywnemu, chlorowaniu lub podgrzewając do ponad 140 °C. Instytut Fraunhofera w Stuttgarcie, działający na zlecenie ESA, od 1999 roku zajmuje się innowacyjnymi metodami sterylizacji. W odróżnieniu od tradycyjnych metod, nowe metody usuwają mikroorganizmy, zamiast je zostawiać. Za ich skuteczność odpowiada strumień zimnych, ale miękkich kryształów dwutlenku węgla, które po pracy są odsysane. Środki sterylizujące stosuje się do momentu osiągnięcia dolnej granicy liczby zarazków.

Specjalna klasa czystości w kosmonautyce „Visible Clean”

Na drugim końcu spektrum wymagań czystości w kosmonautyce znajduje się kategoria „Visible Clean”. Ta najniższa spośród wszystkich klas czystych pokoi występuje co ciekawe wyłącznie w normie europejskiej ECSS-Q-ST-70-01C (European Cooperation for Space Standardization — ECSS). Visible Clean to standard czystości w laboratoriach do rozwoju i badań, ale nie do integracji statków powietrznych. Personel stale zmienia się między laboratorium a biurem. Nie ma tam przedsionka. Brakuje również regulacji ciśnienia, a przepływ powietrza w pomieszczeniu nie jest określony. Pracownicy zakładają tylko odzież ochronną i nowe obuwie, aby uniknąć bezpośredniego zanieczyszczenia odzieżą uliczną.

Zamiast ciągłego pomiaru jakości czystego pokoju, w razie potrzeby przeprowadza się badanie światłem białym. Dotyczy ono cząstek większych niż 10 µm, widocznych gołym okiem. Pomieszczenia tego najniższego dopuszczalnego poziomu mogą być również oznaczone jako ISO klasa 9.

Wszystkie wyższe klasy czystości mają klimatyzację. Temperatura wynosi 22 °C (+/-3 °C), a wilgotność względna powietrza 55 % (+/-10 %). Utrzymanie odpowiedniej wilgotności jest istotne dla działania elementów elektronicznych: suche powietrze może powodować wyładowania elektryczne. Niektóre skrzynki elektroniczne już zostały uszkodzone podczas integracji z powodu naładowania elektrycznego pracowników. Aby zapobiec takim zwarciom, coraz więcej pomieszczeń wyposażono w podłogi ESD (Electro Static Discharge), czyli odprowadzające ładunki elektryczne. Są to powłoki przewodzące o oporze mniejszym niż 1 MΩ. Do wyposażenia ESD należą odzież, obuwie i rękawice, które zapobiegają powstawaniu napięć powyżej 100 V.

Rekomendacje ISO klasy 7 i 8 dla większości satelitów?

Klasa czystości ISO 7 i 8 według DIN EN ISO 14644 jest stosowana do integracji większości satelitów. Mniej rygorystyczne wymagania dotyczą satelitów, które głównie zawierają elementy elektroniczne, takie jak systemy radarowe czy komunikacyjne.

Większą uwagę zwraca się na komponenty optyczne. Te satelity również wyposażone są w czujniki gwiazd, które autonomicznie określają pozycję statku kosmicznego na orbicie. Ponadto mają systemy regulacji położenia lub napędy z elementami ciekłymi lub gazowymi. Zawory muszą być absolutnie szczelne, czyli bezpyłowe. Każda nieszczelność skraca żywotność.

Wszystkie te wrażliwe na zanieczyszczenia elementy podczas integracji są zwykle zamknięte lub zakryte i uruchamiane dopiero tuż przed startem.

W czystych pomieszczeniach tej klasy odbywa się stała wymiana powietrza z kondycjonowanym i filtrowanym powietrzem, z częstotliwością nawet do 40 razy na godzinę. Powietrze jest wdmuchiwane z sufitu za pomocą dysz wirowych i rozprowadza się dzięki turbulentnemu przepływowi po całym pomieszczeniu.

Powietrze jest zasysane przy podłodze, ponownie kondycjonowane, wzbogacane świeżym powietrzem i ponownie filtrowane. W pomieszczeniach sąsiednich panuje nadciśnienie od 20 do 30 Pa. Kaskada ciśnienia zaczyna się na zewnątrz, przechodzi przez przejścia dla personelu i materiałów, i kończy się w czystym pokoju. Warunki są stale monitorowane i rejestrowane za pomocą skalibrowanych czujników.

Koncentracja cząstek jest zwykle mierzona za pomocą laserowych czujników cząstek, połączonych z systemem podciśnieniowym, przepływającym przez czysty pokój. Dozwolone jest nie więcej niż 100 000 cząstek o rozmiarze od 0,5 µm do 5 µm na minutę i na metr sześcienny. Alternatywnie, można stosować pomiar PFO (particle fall out) na specjalnej metalowej płytce. Dla czystego pokoju klasy ISO-8 typowe wyniki pomiarów wynoszą poniżej 275 ppm/24h. Czyszczony pokój musi być kalibrowany raz w roku, przy czym laserowe czujniki mierzą koncentrację cząstek w różnych miejscach. Liczba punktów pomiarowych była dotychczas wyliczana na podstawie pierwiastka kwadratowego z powierzchni pomieszczenia. Nowe wytyczne określają liczbę punktów pomiarowych na podstawie powierzchni zgodnie z tabelą DIN EN ISO 14644-1.

Obowiązkowe jest noszenie nieprzepuszczających cząstek odzieży, obuwia i nakrycia głowy, a także maseczki na brodę dla osób z zarostem. Osoby obsługujące statki kosmiczne noszą rękawice. Również elementy są wprowadzane i wyprowadzane wyłącznie przez przejścia. Mimo że jest to czysty pokój, nie jest on wolny od pyłu i musi być regularnie sprzątany. Zanieczyszczenia wprowadzane są przez osoby i materiały, które osadzają się na podłodze lub powierzchniach w strefach spokojnych.

Zazwyczaj sprząta się raz dziennie wilgotną mopem, używając wyłącznie wody destylowanej lub wody destylowanej z dodatkiem 5-15% izopropanolu. Wszystkie elementy i wyposażenie powinny być łatwe do czyszczenia i nie emitować cząstek. Przy kranach w czystym pokoju napęd musi być zamknięty, a elementy nośne wymienione na pokryte powłoką, aby uniknąć ścierania się i emisji z nich cząstek.

ISO klasa 5 spełnia wyższe wymagania

W czystym pomieszczeniu tej klasy integruje się satelity z ekstremalnie wrażliwymi systemami. Dotyczy to głównie układów optycznych, na przykład satelitów rozpoznawczych. Zanieczyszczenie cząstkami optycznych powierzchni powoduje zwiększone rozproszenie światła, co obniża wydajność, a molekularne zanieczyszczenia zakłócają widzenie spektralne. Zdjęcia są zniekształcone, podobnie pomiary temperatur w podczerwieni. Czyszczenie — często za pomocą miękkiego pędzla lub piórka, przy użyciu odkurzaczy do czystych pokoi — jest bardzo pracochłonne i nie zawsze skuteczne. Powierzchnie optyczne i miękkie powłoki mogą zostać zarysowane.
Procesy mycia mają na celu usunięcie zanieczyszczeń molekularnych, ale mogą pozostawiać smugi. Priorytetem jest unikanie zanieczyszczeń już na etapie integracji. Już na etapie planowania czystych pokoi tej klasy należy minimalizować źródła zanieczyszczeń molekularnych. Silikon i jego pochodne nie mogą być używane.

Silikon wydziela się przez 50 lat, uwalniając cząstki molekularne. Ich usunięcie z powierzchni optycznych jest możliwe tylko za pomocą chloroformu i rzadko skuteczne. Wydzieliny podczas pracy muszą być eliminowane przez system wentylacji. W zakresie molekularnym skuteczne są jedynie niespecyficzne filtry węglowe (Airborne Molecular Contamination — AMC), które filtrują całą recyrkulację powietrza.

Do pomiaru zanieczyszczeń molekularnych stosuje się tzw. Witness Plates. Osad molekuł można analizować za pomocą spektrofotometru IR. Maksymalna wartość pomiarowa dla takich pomieszczeń nie powinna przekraczać 7,1 x 10⁻¹ g/cm² na dzień. Ponieważ dolna granica wykrywalności w urządzeniach analitycznych wynosi 5 x 10⁻¹ g/cm², próbki muszą być wystawione na działanie przez dłuższy czas, zazwyczaj od czterech do sześciu tygodni. System wentylacji jest zaprojektowany tak, aby wytwarzał przepływ powietrza o niskiej turbulencji (prawie laminarny), skierowany wzdłuż pionowej osi od sufitu do podłogi. Idealny jest przepływ pionowy od góry do dołu, który odprowadza zanieczyszczenia bezpośrednio w dół. Alternatywnie można stosować przepływ poziomy od ściany do przeciwległej lub od ściany do podłogi, zwany „rejsującym” przepływem. W takim przypadku pracownicy muszą zwracać uwagę, aby podczas krytycznych działań nie kierować strumienia powietrza na obiekt, aby nie odprowadzał zanieczyszczeń. Powietrze jest wyprowadzane z dużej liczby jednostek FFU (Filter Fan Units) z wentylatorem i końcowym filtrem, ukrytych za dużymi kratkami, które umożliwiają powierzchniowe odsysanie powietrza. Powierzchnie mebli w czystym pomieszczeniu powinny być perforowane lub mieć kratki, aby umożliwić niezakłócony przepływ powietrza bez tworzenia wirów.

Odzież obowiązkowa jest tak zaprojektowana, aby minimalizować zanieczyszczenia od pracowników. Do czystego pokoju klasy ISO 5 wchodzi się zwykle przez przejścia z odzieżą klasy ISO-8 lub ISO-7. W przejściu dla personelu między ISO 8/7 a ISO 5 odzież musi spełniać wyższe wymagania, oczywiście w wersji ESD. Najpierw pracownik zakłada czapkę z osłoną na usta. Całe ciało jest przykryte kombinezonem, który wkłada się do przylegających butów czystego pokoju. Rękawice zakłada się na mankiety kombinezonu.

Trendy w przyszłej integracji satelitów

Patrząc w przyszłość czystych pokoi w kosmonautyce, wyróżniają się dwa punkty: zmiana wymagań i zarządzanie wysokimi kosztami. Koszty są znaczne. Integracja satelity o długości około 5 metrów i średnicy 2-3 metry wymaga powierzchni około 300 m². Cena za metr kwadratowy to kilka tysięcy euro dziennie. Ponieważ urządzenia pracują całą dobę, każda doba jest rozliczana. Nawet w projektach niekomercyjnych, finansowanych przez państwo, coraz większą uwagę przykłada się do kosztów, ponieważ budżety są ograniczone. W przypadku komercyjnych projektów można zauważyć, że najemcy zwykle wybierają tańsze, czyli niższe klasy czystości. Inni próbują obniżyć koszty poprzez skrócenie czasu użytkowania. To zrozumiałe, ponieważ integracja większego satelity może pochłonąć miliony euro tylko na czystość. Automatyzacja procesów nie jest rozwiązaniem, integracja satelitów nadal wymaga ręcznej pracy na miarę.

Wykorzystanie czystych pokoi będzie się jeszcze bardziej opierać na wymaganiach produktu, podobnie jak w innych dziedzinach technicznych, takich jak mikroelektronika czy przemysł motoryzacyjny. Te wymagania są ustalone dla większości satelitów i nie będą się już znacznie zmieniać. Inaczej jest w przypadku satelitów wyposażonych w wysokorozdzielcze systemy optyczne. Chcą one coraz dokładniej i dalej patrzeć w kosmos lub robić szczegółowe zdjęcia Ziemi. Obecnie człowiek widzi około 45 miliardów lat świetlnych w głąb wszechświata, czyli tylko ułamek szacowanych 10 bilionów gwiazd. Bardziej szczegółowe spojrzenie wymaga precyzyjniejszych technologii.

Przykładem jest projekt przyszłości ESA ATHENA (Advanced Telescope for High Energy Astrophysics). Ten teleskop rentgenowski nowej generacji (bardziej zaawansowany niż XMM-Newton) wyposażony jest w szerokokątny obrazowiec i jednostkę do pomiaru promieniowania rentgenowskiego. ATHENA ma masę startową 7000 kg, ogniskową 12 metrów i wysokość 15 metrów, a jego start planowany jest na 2028 rok za pomocą rakiety Ariane 6.4.

Podstawą jest pełna produkcja satelity w czystym pokoju klasy ISO ≤ 5. Jego nowatorska konstrukcja zwierciadła o średnicy 3 m składa się z 700 modułów zwierciadeł z 1,5 miliona porów na mikro-metry wielkich waflach krzemowych.

Także miniaturowe satelity, takie jak „Würzburger Würfel” — małe satelity serii UWE („Universität Würzburg Experimentalsatelliten”) — wymagają coraz wyższych standardów czystości.

Ich krawędzie mają zaledwie 10 centymetrów. W związku z tym, że są zminiaturyzowane i wrażliwe na kurz, ich systemy pomiarowe, sterujące i komunikacyjne muszą spełniać wyższe wymagania czystości.

Takie satelity będą wymagały wkrótce czystego pokoju klasy ISO 4 lub wyższej, ponieważ obecne ISO 5 już nie wystarcza. Można to osiągnąć — co już jest stosowane w innych branżach — kosztowo efektywnie, tworząc wyłącznie wyższą klasę czystości dla ograniczonego, mniejszego obszaru. W obszarach pracy tzw. „Flowbenches” powietrze jest oczyszczane przez filtry HEPA (High Efficiency Particulate Air) lub ULPA (Ultra Low Penetration Air), przy czym w drugim przypadku skuteczność wynosi co najmniej 99,9995% dla cząstek o rozmiarze 0,1-0,3 µm.

Jednak nawet to nie wystarczy dla satelitów z zaawansowanymi systemami optycznymi. Ich czyste pomieszczenia nie skupiają się już tylko na cząstkach, ale także na molekułach. Dotyczy to głównie organicznych składników w powietrzu.

Można je usunąć tylko za pomocą filtrów AMC. Źródła molekularnego zanieczyszczenia to struktura budynku, wyposażenie i same zespoły satelitów. Najważniejszym źródłem zanieczyszczeń, także molekularnych, jest oczywiście człowiek. Jeśli pracownik oddycha na panel słoneczny satelity, powoduje to mierzalne obniżenie wydajności.

Jest to trwałe, a nawet częste czyszczenie nie zmieni tego. Każdy czysty pokój klasy ISO-5 w przyszłości będzie wyposażony w filtry AMC do powietrza nawiewanego i recyrkulowanego. 100% recyrkulacji powietrza musi przejść przez filtry AMC, aby wyeliminować zanieczyszczenia wewnątrz pomieszczenia.

Technika pomiarowa musi także wykrywać źródła molekularne na czas, aby można je było usunąć. Dotychczas można przeprowadzić analizę po kilku dniach ekspozycji próbki. Z ulepszoną metodą pomiaru, której jeszcze nie ma, możliwe byłoby pomiary online. Tylko wtedy można szybko wyeliminować źródła zanieczyszczeń.

Transport w mobilnym, odpornym na uderzenia czystym pomieszczeniu

Zadania integracyjne są zwykle rozproszone po całej Europie w projektach ESA. Na przykład jedna nacja dostarcza strukturę satelity, inna montuje systemy regulacji położenia, jeszcze inna odpowiada za integrację systemów. To wymaga wielu transportów między placówkami. Warunki w przewożonych pojemnikach muszą być takie same jak podczas integracji. Dotyczy to także podsystemów i komponentów. Najsłabsze ogniwo w łańcuchu decyduje o jakości.

Kontener transportowy jest w zasadzie wytrzymałym, mobilnym czystym pokojem klasy ISO 8/7. Aby utrzymać temperaturę i warunki powietrza, kontener jest wyposażony w moduł zapewniający te parametry. Często jest też napełniany suchym azotem i utrzymywany pod lekkim nadciśnieniem.

Ponieważ kontener nigdy nie jest w 100% szczelny, towarzyszące mu butle z gazem zapewniają, że mimo wycieków panuje nadciśnienie około 20 Pa.

Satelita musi mieć łatwy dostęp do kontenera. Można go wyposażyć tak, aby górna część była zdejmowana, a satelita wprowadzana od góry za pomocą dźwigu. W takim przypadku satelita jest mocowany na pierścieniowej strukturze, która stanowi interfejs do rakiety.

Inną opcją jest wprowadzenie satelity poziomo. W tym celu umieszcza się go na ruchomej konstrukcji i wsuwa przez bramę do kontenera. Przed tym, wstępnie oczyszczone kontenery transportowe są wstępnie czyszczone w przedprzedsionku. Kontakt z kontenerem następuje dopiero w głównym przejściu.

Ponieważ duże elementy, takie jak kolektor słoneczny czy anteny, zwykle podróżują osobno, kontener transportuje korpus satelity. Kształt i rozmiar kontenera są ograniczone przez środek transportu i drogi transportowe. W Europie najczęściej używa się wieloosiowych naczep niskopodwoziowych.

Ich naczepy mają regulowaną wysokość, aby wyrównać nierówności drogi. Podczas jazdy odnotowuje się w rejestrze wstrząsy, które mogą być przenoszone na satelitę tylko po ich tłumieniu.

Struktura kontenera jest odłączona od struktury nośnej satelity za pomocą elementów amortyzujących. Przy dużych kontenerach należy sprawdzić wysokości przejazdów pod mostami i przeszkodami drogowymi. Transport jest wspierany przez dodatkowe pojazdy i dozwolony tylko w wybrane dni lub noce. Kontener do transportu powietrznego musi spełniać wymagania IATA (Międzynarodowego Zrzeszenia Przewoźników Lotniczych). W tym celu w obudowie kontenera umieszcza się dyszę rozpryskową, która w przypadku nagłego spadku ciśnienia kabiny zapewnia szybki wyrównanie ciśnienia.

Po zakończeniu integracji systemu satelita jest poddawany szczegółowym testom. Tak duże urządzenia testowe nie są dostępne na każdym miejscu integracji. Najważniejsze laboratoria testowe w Europie to Interspace w Tuluzie we Francji, Centrum Testowe ESTEC w Nordwijk w Holandii oraz IABG w Ottobrunn w Bawarii.

Obiekty te są wyposażone w czyste pomieszczenia klasy ISO-8 i odpowiednie przejścia. Dostęp do urządzeń testowych, w których symuluje się warunki kosmiczne, takie jak podciśnienie, scenariusze temperaturowe i wibracje, odbywa się z czystego pokoju centralnego. Na „Shakerze” satelita jest poddawany wstrząsom, podobnie jak podczas startu rakiety. Jeśli podczas tego odczepią się anteny, można jeszcze w porę wzmocnić mocowania. Aby nie zwiększać niepotrzebnie wymagań jakościowych czystego pokoju, wszystkie wrażliwe podsystemy są zakryte i otwierane dopiero w bezpiecznym środowisku. Po pomyślnych testach satelity są zwykle transportowane w tych samych kontenerach bezpośrednio na miejsce startu.

Najczęściej wykorzystywanymi miejscami startu ESA są kosmodrom w Baikonurze w Kazachstanie, kosmodrom w Kourou w Gujanie Francuskiej (Centre Spatial Guyanais) oraz Centrum Kosmiczne Kennedy na Florydzie w USA. Stamtąd satelity najczęściej lecą samolotami frachtowymi.

Na miejscu startu również musi być utrzymana czystość. Jedną z możliwości jest montaż satelity w czystym pomieszczeniu w osobnej, zamkniętej kapsule ładunkowej. Ma to tę zaletę, że przestrzeń integracyjna i rakieta są od siebie oddzielone przestrzennie.

Za to rozwiązanie trzeba dopłacić, dodając adapter do nośnika. Inną możliwością jest montaż satelity bezpośrednio na nośniku. W tym przypadku interfejs nośnika do ładunku wchodzi do czystego pomieszczenia. Satelita jest umieszczana na adapterze rakietowym i łączona z rakietą za pomocą pierścienia zaciskowego. Po zakończeniu prac integracyjnych zewnętrzna osłona (fairing) jest zamykana.

Przed tym sprawdza się, czy nie dostały się tam przypadkowe „pasażerowie”. W internetowych forach technicy donoszą o gekonach i sieciach, które przed startem udało się jeszcze zdusić, na przykład przez napełnienie azotem przestrzeni ładunkowej promu kosmicznego lub zwykłym odkurzaczem.

Gdy zewnętrzna osłona zostanie odrzucona na wysokości 100 km, atmosfera jest tak cienka, że nie ma już ryzyka zanieczyszczeń. Nie ma też obaw o nagrzewanie się struktury satelity przez opór powietrza.

Przestrzeń kosmiczna nie jest idealnym czystym pokojem

Tak jak ludzie starają się wysłać swoje niebożłony w czystym stanie, tak niefrasobliwie obchodzą się z satelitami na końcu ich cyklu życia. Pod koniec marca 2020 roku wokół Ziemi krążyło 2700 funkcjonalnych satelitów, z czego 1300 należało do USA. Jednak wśród nich znajduje się około 17 000 uszkodzonych lub niepotrzebnych satelitów. Teleskop ESA do wykrywania kosmicznych odpadów na Teide na Teneryfie zarejestrował od 6500 do 8000 ton kosmicznych śmieci, łącznie 16 700 obiektów i 9 464 odłamki o długości krawędzi do 100 mm.

Model ESA MASTER-2005 (Meteoroid and Space Debris Terrestrial Environment Reference) zakłada, że na orbicie wokół Ziemi krąży ponad 600 000 obiektów o rozmiarze większym niż 10 mm.

Inne symulacje przewidują 150 milionów obiektów o rozmiarze milimetrowym. Amerykański system obserwacji przestrzeni kosmicznej śledzi nieustannie obiekty powyżej 50 mm. Przy zbliżaniu się do funkcjonujących satelitów konieczne są manewry unikowe. Również Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) jest od czasu do czasu zmuszona do korekty kursu.

Zagrożenie kolizją rośnie z każdym rokiem. Przestrzeń kosmiczna nie jest wprawdzie wolna od cząstek, czyli nie jest idealnym czystym pokojem. Obserwacje zjawisk takich jak zorza polarna pokazują, że w przestrzeni jest wiele cząstek. Jednak w średnim stanie wszechświata zanieczyszczenie wynosi około 2 atomów na metr sześcienny — co jest poziomem czystości przekraczającym możliwości technik czystych pokoi stworzonych przez człowieka.

Potencjalna ekipa sprzątająca pobudza wyobraźnię przemysłu kosmicznego. Od szwajcarskiego odkurzacza kosmicznego Clear Space One po pomysły na rozbicie kosmicznych odpadów — zakres pomysłów jest szeroki.

Na razie niewiele z tego zostało zrealizowane, ale to jest najważniejsze. Bez względu na metodę czyszczenia, czeka wiele pracy na narodowe agencje kosmiczne, jeśli chcą posprzątać orbitę Ziemi. Jeśli uda się im najpierw posprzątać własny ogródek, będzie to silniejszy sygnał od człowieka do wszechświata niż wysyłanie fal radiowych czy międzygwiezdnych satelitów. Pokazuje to, że ludzkość jest w stanie na dłuższą metę poradzić sobie w Układzie Słonecznym — może kiedyś wyruszyć stamtąd na podbój nowych światów.