Blankgeputzt zum Planetenbesuch

  • 06. August 2015

Neue Technologien für Reinraum und Sterilisierung des Marsrovers „ExoMars“.

Weltraum-Missionen sind mit enormen Kosten und großen Risiken verbunden. Davon zeugen viele, aktuell gescheiterte Projekte. Da sich eine unbemannte Raumsonde, einmal gestartet, nicht mehr reparieren lässt, darf kein Bauteil, kein Aggregat versagen. Sonst wären alle Anstrengungen umsonst und die Wissenschaftler müssten viele Jahre auf eine Ersatzmission warten. Verschmutzungen spielen eine wichtige Rolle. Denn Schmutz kann die Mechanik blockieren, einen Kurzschluss verursachen oder die Elektronik stören. Besonders heikel wird es, wenn eine Sonde Spuren von Leben auf einem fremden Planeten suchen soll. Genau darum geht es bei der europäischen Mars-Mission „ExoMars“, deren Start für 2018 geplant ist. Eine Landefähre wird dann auf dem Nachbarplaneten aufsetzen und ein Gefährt von der Größe eines Smart losschicken. Damit seine Sensoren, die nach Leben suchen, zuverlässig arbeiten können, darf es kein organisches Material von der Erde einschleppen.

Abb.: Die Wissenschaftler präparieren in ihren Reinraumlaboren regelmäßig Instrumente für Weltraum-Missionen. Hier zu sehen: die Vorreinigung eines Satellitenbauteils. (Bild: R. Bez, Fh.-IPA)

Abb.: Die Wissenschaftler präparieren in ihren Reinraumlaboren regelmäßig Instrumente für Weltraum-Missionen. Hier zu sehen: die Vorreinigung eines Satellitenbauteils. (Bild: R. Bez, Fh.-IPA)

Dass alle Bauteile absolut keimfrei sind und selbst Verschmutzungen im Nanometerbereich entfernt werden, dafür sorgen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktions­technik und Automatisierung IPA im Auftrag der Europäischen Raumfahrt­agentur ESA. Bei ihrer Konzeption konnten die Wissenschaftler auf ihre umfassende Expertise zurückgreifen – einer der weltweit am besten aus­gestatteten Reinräume steht am Fraunhofer IPA in Stuttgart. Um den Mars-Rover zuverlässig sterilisieren zu können, haben die Experten für die ESA einen Reinraum konzipiert und im niederländischen Noordwijk, dem Sitz des Europäischen Weltraum­forschungs- und Technologie­zentrums (ESTEC), eingerichtet. Der etwa siebzig Quadratmeter große reinheits­technisch kontrollierte Bereich genügt höchsten Reinheitsanforderungen, unter anderem der ISO-Klasse 1. Das bedeutet, dass ein Kubikmeter Luft nicht mehr als 10 Partikel von 0,1 Mikrometer Größe enthalten darf. Der ultrareine Bereich ist etwa eine Milliarde mal sauberer als Umgebungsluft.

Die Konzeption umfasste die Planung ebenso wie das Layout, die Qualitäts­sicherung, Realisierung, Abnahmemessung und Inbetriebnahme. „Wir haben ein Rundum­sorglos-Paket geschnürt, den Raum dimensioniert, die Auswahl der Reinheits- und Reinigungstechnik, der Anlagen- und Lüftungs­technik, der Boden­beschichtungen, der Filtrations­systeme und des Sterilisations­equipments getroffen, und Empfehlungen für Industrie­partner gegeben, die den Raum bauen“, sagt Udo Gommel, Leiter des Geschäftsfeldes „Elektronik und Mikro­system­technik“ am IPA. „Beispielsweise ist es wichtig, dass der Boden in Bezug auf das Ausgasungs­verhalten zu den Wänden passt. Kunststoff sondert ausgasende, schädliche Produkte ab, die sich etwa auf optischen Linsen sammeln könnten. Die Kontaminationen würden Abbildungs­fehler verursachen“, so Gommel.

Für das Sterilisieren des Mars-Rovers hat sich ein Verfahren bewährt, das am IPA entwickelt und zum Patent angemeldet wurde. Ursprünglich kommt die Methode aus den USA, um den Lack von Flugzeugrümpfen zu entfernen. Ein harter Strahl aus reiskorn­großen Kristallen von gefrorenem Kohlen­dioxid sprengt dabei die Farbe regelrecht vom Metall ab. Die Forscher haben das grobe Instrument stark verfeinert. Anstatt Kohlendioxid-Pellets verwenden sie Kohlendioxid-Schnee, um damit jedes Bauteil einzeln zu bearbeiten, vom hochkomplexen Aluminium­werkstück bis zum Unter­leg­scheibchen. Der Clou: Der Strahl, der aus der Düse kommt, wird mit einem umhüllenden CDA-Strahl (Clean Dry Air) zusätzlich beschleunigt. So dringt er in alle Ritzen und entfernt noch die kleinsten Verschmutzungen. Sobald die winzigen Schnee­flocken auf die relativ warme Oberfläche treffen, werden sie gasförmig, wobei sich ihr Volumen explosionsartig um das 800-fache ausdehnt. Der Detonations­druck fegt jeden Schmutz restlos weg, sogar Finger­abdrücke, die das kalte Gas zuvor spröde gemacht hat. „Es handelt sich dabei um ein trockenes Verfahren, das Oberflächen nicht aufquillt. Diese lassen sich beim Reinigen mit Kohlen­dioxid schonend behandeln. Der Einsatz von Wärme oder Chemikalien ist nicht nötig“, erläutert Gommel den Vorteil dieser Methode.

Der Reinraum ist bereits in Betrieb, die Forscher vom IPA rüsten ihn laufend mit Reinheits- und Reinigungs­technik auf und optimieren den Materialfluss. Neben der ESA nutzen weitere nationale Einrichtungen wie Thales Alenia Space Italy, ein italienisches Raumfahrt­unternehmen, den Raum für ihre Weltraum-Missionen. Auch andere Weltraum­behörden wie die NASA lassen sich von Gommel und seinem Team beraten.

Fh.-IPA / DE

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  • 30. November 2017

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