Wszystko na pełnej parze

Woraufinigung eines massiven Satellitenbauteils (Quelle: Fraunhofer IPA) / Wstępne czyszczenie ciężkiego elementu satelitarnego (Źródło: Fraunhofer IPA)

Tagi NFC do śledzenia czystości elementów (Źródło: Fraunhofer IPA) / Tagi NFC do śledzenia czystości komponentów (Źródło: Fraunhofer IPA)

Prüfung der mikrobakteriellen Sterilität eines Bauteils zum Schutz der Planeten vor Keimübertragung (Quelle: Fraunhofer IPA) / Ocena mikrobiologicznej sterylności elementu w celu ochrony planet przed zanieczyszczeniem przez zarazki. (Źródło: Fraunhofer IPA)

IPA.Valve – Zawór sterowany magnetycznie (Źródło: designarmada, Zdjęcie: Jens Kramer) / Rysunek 4: IPA.Valve – Zawór sterowany magnetycznie (Źródło: designarmada, Zdjęcie: Jens Kramer)

Niezawodne zaopatrzenie w energię – nieodzowne dla lotnictwa i kosmonautyki (Źródło: Fraunhofer IPA, Zdjęcie: Heike Quosdorf) / Rysunek 5: Niezawodne zaopatrzenie w energię – absolutna konieczność dla podróży kosmicznych (Źródło: Fraunhofer IPA, Zdjęcie: Heike Quosdorf)

Rover ExoMars (Quelle: ESA) / Rover ExoMars (Quelle: ESA)

Komponenty używane w misjach kosmicznych muszą być starannie wyczyszczone. Fraunhofer IPA zyskał tutaj renomę w ciągu kilku lat – głównie dlatego, że nie tylko czyści, ale także potrafi precyzyjnie ocenić jakość swojej pracy. W tym celu dysponuje wysokoprecyzyjnymi urządzeniami analitycznymi. Ponadto posiada najbardziej zaawansowane na świecie czyste pomieszczenia.

Wszystko zaczęło się od zaskakującego zapytania. Europejska Agencja Kosmiczna ESA chciała wiedzieć, czy Fraunhofer IPA jest w stanie wysterylizować różne komponenty misji na Marsa. Udo Gommel, kierownik odpowiedniego działu „Elektronika i Mikrosystemy”, nie spodziewał się dużych szans na podjęcie tego ambitnego zadania. Ponieważ nie był jedynym pytanym, a także nie miał doświadczenia w branży lotniczej i kosmicznej, obawiał się, że odpadnie. „Myślałem, że jako technik produkcji od razu mnie wykluczą” – wspomina. Jednak znał się na czyszczeniu delikatnych elementów elektronicznych, na przykład w branży półprzewodników czy medycynie. Dodatkowo mógł pochwalić się jednym z najlepszych laboratoriów czystych pomieszczeń na świecie. I to właśnie to zadecydowało: dostał pracę. To było siedem lat temu. Obecnie branża kosmiczna stała się jednym z głównych filarów jego działalności. Obecnie realizuje około 20 projektów o różnych specjalizacjach. „Gdy już raz wkroczy się w branżę, jest się przekazywanym dalej” – mówi Gommel. Za każdym razem, gdy pojawiają się szczególnie trudne wyzwania, gdy rozwiązania komercyjne zawodzą, a potrzebne są badania naukowe, stuttgarckie firmy są w grze.

Bezpieczeństwo ma najwyższy priorytet

W lotnictwie i kosmonautyce bezpieczeństwo jest najważniejsze, ponieważ chodzi o ludzkie życie – i ogromne pieniądze. Jeśli samolot rozbiłby się, zginęłyby setki pasażerów. A misja kosmiczna często kosztuje tyle, co cały wieżowiec. Ponieważ bezzałogowa sonda po starcie nie może być naprawiona, awaria nawet najmniejszego elementu może doprowadzić do katastrofy. Wówczas wszystkie wysiłki idą na marne, a naukowcy muszą czekać wiele lat na kolejną próbę. „Failure is not an option” – tak mówi się w branży lotniczej i kosmicznej. Żaden komponent, żadne urządzenie nie może zawieść. Szczególną rolę odgrywają tu zanieczyszczenia. Brud jest trucizną dla wszystkich materiałów: może zablokować mechanikę, spowodować zwarcie lub zakłócić elektronikę. Szczególnie niebezpieczne jest to w przypadku sond, które mają szukać śladów życia na obcej planecie. To właśnie jest celem europejskiej misji na Marsa „ExoMars”, której stuttgarckie firmy nadal się zajmują. Planowane uruchomienie „ExoMars” na rok 2018. Lądowisko osadzi się na sąsiedniej planecie, a na jej powierzchni wyląduje pojazd wielkości smartfona. Aby jego czujniki, które mają szukać życia, działały niezawodnie, nie może on przenosić na pokładzie żadnych organicznych materiałów z Ziemi. W przeciwnym razie byłby jak jego amerykański poprzednik „Curiosity”, który w 2012 roku odnotował sukces. Eksperci analizowali znalezione substancje przez miesiące, korzystając z urządzeń pokładowych – aż doszli do wniosku, że był to fałszywy alarm: urządzenia wykryły kontaminację ziemską. Aby zapobiec takim awariom, wszystkie komponenty muszą być absolutnie wolne od zarazków. Nawet resztki martwych mikroorganizmów nie mogą tkwić w szczelinach. Z ekologicznych względów taka pedanteria stała się dziś standardem w branży kosmicznej. Instytucje takie jak ESA i NASA zobowiązały się w ramach „Programu Ochrony Planetarnej” do nieprzenoszenia zarazków z Ziemi na inne planety. Ponadto muszą podjąć środki ostrożności, aby żadne ryzykowne substancje z obcych światów nie trafiły na Ziemię – na przykład w przypadku planowanego powrotu. Euforyczne sceny z 1969 roku, gdy pierwsi ludzie na Księżycu zostali powitani przez tłumy entuzjastów, dziś byłyby nie do pomyślenia. Wtedy, zaraz po powrocie, wręczano prezydentowi Richardowi Nixonowi kuferek z księżycowym kamieniem. Obecnie istnieje specjalny „Pełnomocnik ds. Bezpieczeństwa Planetarnego”, który pilnuje, by takie sytuacje się nie powtórzyły i aby przestrzegano wszystkich zasad. W Stuttgarcie często go gości.

Najczystsze czyste pomieszczenie na świecie

Aby skutecznie wysterylizować marsjańskiego rovera, eksperci z Stuttgartu zaprojektowali dla ESA czyste pomieszczenie i zainstalowali je w holenderskim Noordwijk, siedzibie Europejskiego Centrum Badań Kosmicznych i Technologii (ESTEC). Bezpieczne czyszczenie jest możliwe tylko w czystym pomieszczeniu, w przeciwnym razie niezliczone cząsteczki pyłu unoszące się w powietrzu natychmiast spowodowałyby kontaminację. Najbardziej zaawansowane czyste pomieszczenie na świecie znajduje się w Fraunhofer IPA. Spełnia najwyższe wymagania czystości, klasę ISO 1. Oznacza to, że w jednym metrze sześciennym powietrza nie może znajdować się więcej niż 10 cząsteczek o wielkości 0,1 mikrometra. W pomieszczeniu klasy ISO 9, czyli o niższej czystości, byłoby to 10^9 cząsteczek, czyli miliard razy więcej. W zwykłym mieście w powietrzu unosi się około 10^13 cząsteczek na metr sześcienny, a w smogu jeszcze więcej. Aby utrzymać najwyższą czystość, trzeba podjąć duże wysiłki. Już przy wejściu do budynku IPA można to zauważyć: zaraz za drzwiami stoi na wysokości kolan bariera, która uniemożliwia dostęp. Przed wejściem trzeba założyć plastikowe nakładki na buty. W całym obiekcie nie wolno palić. Te środki zmniejszają liczbę cząsteczek tylko dziesięciokrotnie.

Główne czyste pomieszczenia, dostępne tylko przez przejścia, są hermetycznie zamknięte: to jak dom w domu. Widać naukowców w ich sterylnych kombinezonach za wysokimi szklanymi ścianami. Wewnątrz panuje lekki nadciśnienie, aby do środka nie dostało się nieprzefiltrowane powietrze. Dodatkowo zapewnia to laminarny przepływ powietrza, który od sufitu do podłogi, tak aby żadne drobne cząstki nie unosiły się w pomieszczeniu. Przy prędkości przepływu 50 centymetrów na sekundę cały powietrze w pomieszczeniu wymienia się w kilka sekund. Cząsteczki powstające na przykład podczas tarcia rękawiczek naukowca, natychmiast znikają w perforowanej podłodze. Aby uniknąć wirów powietrza, które zakłóciłyby wymianę, inżynierowie zrezygnowali z suwnicy sufitowej. Cała sufit jest pokryta filtrami. Podłoga jest podniesiona, aby skutecznie odsysać czyste powietrze. W tym ultraczystym środowisku można nawet zmierzyć, ile ścierania powstaje podczas poruszania ramieniem robota lub kabla. Podobne systemy klasy ISO 1 istnieją na świecie tylko w Holandii i Rumunii. Oba zostały zaprojektowane przez ekspertów z IPA. Jednak największe czyste pomieszczenia są w Stuttgarcie. Największy ma wysokość 6,50 metra. Podniesiona podłoga może wytrzymać obciążenie do 6 ton na metr kwadratowy, co czyni go unikalnym na świecie.

Śnieg z dwutlenku węgla i metody ultradźwiękowe

Do sterylizacji marsjańskiego rovera sprawdziła się metoda opracowana w Fraunhofer IPA i opatentowana. W rzeczywistości jest to rozwinięcie pierwotnej technologii, która pierwotnie była stosowana w USA do usuwania lakieru z kadłubów samolotów. Silny strumień kryształków zamrożonego dwutlenku węgla, wielkości ziarenek ryżu, zdziera farbę z metalu. Stuttgarczy znacznie udoskonalili tę metodę. Zamiast kryształków lodu używają śniegu z dwutlenku węgla. Kluczowe jest to, że strumień z dyszy jest dodatkowo przyspieszany strumieniem azotu, który go otacza. Dzięki temu dociera we wszystkie szczeliny i usuwa nawet najdrobniejsze zabrudzenia. Gdy drobne kryształki trafiają na stosunkowo ciepłą powierzchnię, zamieniają się w gaz, a ich objętość eksploduje aż 800-krotnie. Ciśnienie detonacji skutecznie usuwa cały brud, nawet odciski palców, które wcześniej spowodowało chłodne gazowe strumienie. Jedyną wadą jest koszt dwutlenku węgla. Za 1000 euro można kupić zaledwie 30 kilogramów – a to wystarcza na dziesięć minut pracy. Fraunhofer IPA zainstalował specjalną instalację do jego przetwarzania, która kosztowała aż 800 000 euro.

Strumień dwutlenku węgla to tylko jedna z wielu metod czyszczenia komponentów przemysłowych. Obecnie Fraunhofer IPA intensywnie inwestuje w rozwój około trzydziestu innych technologii, od wycierania i płukania, po plazmowe metody czyszczenia. Niektóre z nich, jak ultradźwięki, wymagają wilgotnego lub płynnego środowiska i nie nadają się do komponentów elektronicznych czy elektrycznych. Inne, jak metoda dwutlenku węgla, pracują na sucho i są szczególnie delikatne. Istnieją metody czyszczenia grubego i precyzyjnego, wstępnego i końcowego. Wybór metody zależy od wymagań dotyczących czystości i rodzaju komponentu. Najwyższe wymagania stawia przemysł półprzewodników, który stał się liderem w technologii czyszczenia. Struktury na chipach są tak małe, że nawet cząsteczka o rozmiarze kilku nanometrów może spowodować zwarcie. W przemyśle motoryzacyjnym jest to mniej rygorystyczne. Tam za krytyczne uważa się cząstki powyżej 200 mikrometrów, głównie zanieczyszczenia metaliczne. Branża kosmiczna plasuje się pośrednio – zwykle dopuszcza cząsteczki o rozmiarze do jednego mikrometra.

Komponent wart miliony euro: czyszczenie w rekordowym czasie

W branży kosmicznej jednak szczególnie rygorystyczne są procedury. Każdy element jest wykańczany osobno, od aluminiowej ramy po podkładkę. Praca na taśmie produkcyjnej w tym sektorze jest niemożliwa. Każdy etap jest dokładnie dokumentowany. W przyszłości mają pomóc w tym tagi NFC, które zapisują informacje o statusie obróbki każdego elementu. Dzięki temu można odtworzyć cały proces od produkcji do końcowego montażu, co jest niezbędne w przypadku awarii, aby znaleźć jej przyczynę. Czyszczenie to jednak nie wszystko. Po nim elementy muszą być zapakowane, aby nie uległy ponownej kontaminacji. To wydaje się proste, ale jest bardzo trudne. Materiał opakowaniowy mógłby się rozpaść na cząsteczki i zanieczyścić komponent. Najlepiej sprawdzają się specjalnie wykonane stalowe pojemniki, w których elementy mogą leżeć nawet przez lata, aż do startu satelity.

W listopadzie ubiegłego roku można było zobaczyć, jak dużo wysiłku wymaga czyszczenie. Fraunhofer IPA miał za zadanie wyczyścić wszystkie 13 000 elementów satelity do obserwacji Ziemi. Największym był segment aluminiowy, wycięty z masywnego bloku ważącego 4 kwintale, wykonany w kilka miesięcy pracy. Czyszczenie tej delikatnej struktury wymagało dużej ostrożności, aby nie uszkodzić nawet najmniejszego elementu. Sam ten element aluminiowy kosztował dużo wysiłku i czasu. Aby go oczyścić, trzeba było zdjąć filtr z czystego pomieszczenia, co wymagałoby rozmontowania suwnicy sufitowej, co z kolei uniemożliwiłoby utrzymanie odpowiedniej czystości. Pomogła tymczasowa strefa dekontaminacji, spełniająca najwyższe wymagania czystości i wytrzymałości na obciążenia. Czasu było mało, aby nie zagrozić harmonogramowi projektu. W ciągu tygodnia zbudowano tymczasowe czyste pomieszczenie wielkości małego domu mieszkalnego.

Szeroka gama usług Fraunhofer IPA pozwala na przeprowadzenie kolejnych etapów obróbki na miejscu, na przykład lakierowania. Dzięki temu unika się transportu i ryzyka ponownej kontaminacji. Duży wysiłek wymaga także ocena jakości procesu czyszczenia. Gdy chodzi o cząsteczki w mikro- lub nanometrowym rozmiarze, a także ich dokładną liczbę, potrzebne są precyzyjne urządzenia. Fraunhofer IPA nie boi się takich wyzwań. Automatyczny mikroskop elektronowy typu pole-emisyjnego potrafi wykryć cząsteczki o rozmiarze nanometrów. Może zeskanować całą powierzchnię małego elementu i policzyć cząsteczki na niej osadzone. W Stuttgartcie dostępny jest także mikroskop sił atomowych, który skanuje powierzchnie cienką igłą. A chromatograf gazowy z detektorem masowym wykrywa nawet najdrobniejsze ślady organicznych zanieczyszczeń.

Ustanowienie praktycznych standardów

Tylko dzięki temu wysiłkowi można znaleźć optymalną metodę czyszczenia dla określonych zastosowań i porównać różne technologie. Dlatego stuttgarccy naukowcy uczestniczą w gremiach odpowiedzialnych za standaryzację metod czyszczenia. Gommel działa zarówno w ISO, czyli Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej, jak i w ECSS, czyli Europejskiej Współpracy ds. Standardów Kosmicznych. W pierwszym z nich jest członkiem grupy roboczej „Cleaning”, a w drugim kieruje dokumentem „Ultraprecyzyjne czyszczenie sprzętu lotniczego”.

Poza czyszczeniem Fraunhofer IPA wspiera także inne ważne dziedziny, na przykład zarządzanie energią. Niezawodne źródło energii jest kluczowe dla powodzenia misji. Najnowszym przykładem jest utrata sygnału z mini-laboratorium „Philae”, gdy zaraz po lądowaniu na komecie „Tschuri” zabrakło mu prądu.

Gdy chodzi o rolę Fraunhofer IPA w branży lotniczej i kosmicznej, Gommel chętnie mówi o „Ukrytym Mistrzu”. Tak się czuł, gdy ESA siedem lat temu wybrała go ponad konkurencję. I chyba nadal tak jest. „Ukryty Mistrz” to nie tylko tajny zwycięzca, ale także nieznany światowy lider rynku.