Rein ins ALL

Naukowcy regularnie przygotowują instrumenty do misji kosmicznych w swoich laboratoriach czystych pomieszczeń – tutaj: wstępne czyszczenie części satelity. (Źródło: Fraunhofer IPA, zdjęcie: Rainer Bez)

Komponenty używane podczas misji kosmicznych muszą być starannie wyczyszczone. Naukowcy z Fraunhofer Institute for Production Technology and Automation IPA zaprojektowali w imieniu ESA czystą izbę, w której można nawet usunąć zanieczyszczenia w nanometrze. Wspólnie z partnerami eksperci czyścili i sterylizowali marsjańskiego łazika ExoMars, który ma wystartować w 2018 roku.

Misje kosmiczne wiążą się z ogromnymi kosztami. Ponieważ bezzałogowa sonda kosmiczna, raz wystrzelona, nie może być już naprawiona, żadna część ani urządzenie nie mogą zawieść – w przeciwnym razie wszystkie wysiłki pójdą na marne, a naukowcy będą musieli czekać wiele lat na kolejną misję zastępczą. Dlatego nie może się zdarzyć, aby brud zablokował mechanikę, spowodował zwarcie lub zakłócił elektronikę. Szczególnie starannie muszą być czyste sondy kosmiczne, które mają poszukiwać śladów życia na obcej planecie. To właśnie jest celem europejskiej misji Mars ExoMars, której start planowany jest na 2018 rok. Lądownik wyląduje na sąsiedniej planecie i wyśle pojazd wielkości smartfona. Aby jego czujniki, które mają szukać życia, mogły działać niezawodnie, nie można na Ziemi wprowadzać organicznych materiałów. Mogłoby to wywołać fałszywe alarmy.

Komponenty bez zarazków

To, że wszystkie części są absolutnie wolne od zarazków i nie mają nawet resztek martwych mikroorganizmów w szczelinach, zapewniają naukowcy z Fraunhofer Institute for Production Technology and Automation IPA na zlecenie Europejskiej Agencji Kosmicznej ESA. Aby móc niezawodnie sterylizować marsjańskiego łazika i usuwać zanieczyszczenia w nanometrze, eksperci z Stuttgartu zaprojektowali i uruchomili w Noordwijk w Holandii, siedzibie Europejskiego Centrum Badań Kosmicznych i Technologii (ESTEC), czystą izbę. Obszar o powierzchni około 70 metrów kwadratowych, kontrolowany pod względem czystości, spełnia najwyższe wymagania klasy ISO 1. Oznacza to, że w jednym metrze sześciennym powietrza nie może znajdować się więcej niż 10 cząstek o wielkości 0,1 mikrometra. Dla porównania: w zwykłym miejskim powietrzu unoszą się około 10^10 cząstek na metr sześcienny, a w smogu jeszcze więcej.

Eksperci z IPA nie tylko zaprojektowali czystą izbę, ale także zajęli się zapewnieniem jakości, realizacją, pomiarami odbiorczymi i uruchomieniem. „W zasadzie przygotowaliśmy kompleksowy pakiet. Określiliśmy, jak wymiarować pomieszczenie, wybraliśmy technologię czystości i czyszczenia, systemy wentylacji i filtracji, powłoki podłogowe, systemy filtracji i sprzęt do sterylizacji, a także udzieliliśmy rekomendacji partnerom przemysłowym, którzy będą budować tę przestrzeń” – mówi Udo Gommel, kierownik działu czystej i mikroprodukcji w Fraunhofer IPA w Stuttgarcie. Aby utrzymać najwyższy poziom czystości, pracownicy ESA muszą przejść przez kilka śluz i prysznic powietrzny oraz nosić wysokiej czystości odzież. Wewnątrz obszarów czystych panuje lekki nadciśnienie, aby nie mogła się dostać nieprzefiltrowana atmosfera. Dodatkowo, laminarne przepływy powietrza, które prowadzą od sufitu do podłogi, zapewniają, że w pomieszczeniu nie pozostanie żaden pyłek. Przy prędkości przepływu 50 centymetrów na sekundę cały powietrze w pomieszczeniu jest wymieniane w ciągu kilku sekund. Cząstki powstające np. podczas tarcia rękawic ESA o siebie, natychmiast znikają w perforowanej podłodze.

Mycie śniegiem z dwutlenkiem węgla

Do sterylizacji marsjańskiego łazika sprawdziła się metoda, którą rozwinięto w IPA i zarejestrowano jako patent. Metoda ta pierwotnie była stosowana w USA do usuwania lakieru z kadłubów samolotów. Silny strumień kryształków zamrożonego dwutlenku węgla o wielkości ziaren ryżu zdziera farbę z metalu. Eksperci z Stuttgartu znacznie udoskonalili to narzędzie. Zamiast kryształków lodu używają śniegu z dwutlenku węgla. Kluczowe jest to, że strumień, który wychodzi z dyszy, jest przyspieszany przez otaczający go strumień azotu. W ten sposób dociera do wszystkich szczelin i usuwa nawet najmniejsze zabrudzenia. Gdy drobne płatki śniegu trafiają na stosunkowo ciepłą powierzchnię, zamieniają się w gaz. Ich objętość rozpręża się wybuchowo aż 800-krotnie. Ciśnienie detonacji całkowicie usuwa cały brud. Nawet odciski palców można usunąć w ten sposób. „Czyszczenie śniegiem z CO2 jest suchą metodą, która nie powoduje napęczewiania powierzchni” – wyjaśnia Gommel, podkreślając zalety tej metody. W zależności od charakterystyki części, naukowcy łączą tę metodę z innymi, takimi jak plazmowe lub szmatkowe i płuczące metody czyszczenia. Czysta izba jest już w użyciu, a eksperci z IPA stale ją optymalizują i wyposażają w odpowiednią technologię czystości i czyszczenia, poprawiają przepływ materiałów i doradzają ESA w zakresie kosztów operacyjnych. Oprócz ESA, z przestrzeni korzystają także inne krajowe instytucje, takie jak Thales Alenia Space Italy, włoska firma kosmiczna, oraz inne agencje kosmiczne, np. NASA, które korzystają z porad Gommla i jego zespołu. „Jesteśmy cenionym i rozpoznawalnym partnerem w tym obszarze badań” – mówi inżynier. Stuttgarcki naukowiec zasiada w odpowiednich gremiach odpowiedzialnych za standaryzację metod czyszczenia. Gommel działa zarówno w ramach ISO, czyli Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej, jak i ECSS, czyli Europejskiej Współpracy ds. Standardów Kosmicznych. Jeśli chodzi o rolę IPA w lotach kosmicznych i lotnictwie, Gommel chętnie mówi o „Ukrytym Mistrzu”. Ukryty Mistrz to nie tylko tajemniczy zwycięzca, ale także nieznany światowy lider rynku.