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ReinRaumfahrt zur »Planetary Protection« für die Europäische Weltraumorganisation ESA

30.11.2012
2. Preis: Hans-Jürgen Warnecke Innovationspreis 2012

Wer Proben auf einem fernen Planeten ziehen will, muss raumfahrtspezifische Reinheitsmaßnahmen treffen. Ansonsten könnte er Gefahr laufen, dass er das, was er zu entdecken glaubt, selbst von der Erde mitgebracht hat. Zum Schutz vor derartigen planetarischen Verschmutzungen sowie Kontamination der Erde bei »Sample Return«-Missionen entwickelten Forscher des Fraunhofer IPA ein innovatives Bewertungssystem für die Reinheitstechnik.

Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich auch auf andere reinheitskritische Industrien wie die Halbleiterindustrie, Medizintechnik oder Automobilindustrie anwenden.

Raumfahrtspezifische Reinheitsanforderungen: »Planetary Protection«
Langlebigkeit, Zuverlässigkeit und Leistung von Satelliten und Raumfahrzeugen werden durch die extrem belastenden Weltraumbedingungen auf eine harte Probe gestellt. Um diesen hohen Anforderungen gerecht zu werden, sind bereits bei der Auswahl von Material, Konstruktion und nicht zuletzt bei ihrer Fertigung reinheitstechnische Gesichtspunkte zu beachten. Äußerst ambitionierte Reinheitsanforderungen stellen dabei »Search for Life« Missionen. Diese Weltraumerkundungs-Missionen suchen nach extraterrestrischen Lebensformen und für sie gilt in besonderem Maß das international ratifizierte »Planetary Protection«-Programm. Danach müssen sie ein breites Kontaminationsspektrum beherrschen − angefangen bei Mikroorganismen über filmische Verunreinigungen bis hin zu kleinsten, partikulären Kontaminationen. Diese Aufgaben können nur mit Hilfe hochangepasster Reinheitstechnikmaßnahmen adäquat gelöst werden.

Als prototypisches Beispiel einer solchen »Planetary Protection«-Mission kann die ExoMars-Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA herangezogen werden. Aufgrund der spezifischen reinheitstechnischen Fragestellungen initiierte die ESA im Jahr 2008 eine Zusammenarbeit mit der Abteilung »Reinst- und Mikroproduktion« des Fraunhofer IPA. Die Forscher des Fraunhofer IPA entwickelten ein innovatives und effektives Reinheitskonzept sowohl für ExoMars-Flighthardware-Komponentenals auch für weitere Anwendungen mit vergleichbaren Reinheitsanforderungen. Das Reinheitskonzept beinhaltet eine reine Fertigungsumgebung, Ultrapräzisionsreinigungsverfahren, Reinheitsvalidierung sowie ein reines Logistik- und Verpackungskonzept.

Bewertung und Auswahl hochpräziser Reinigungsverfahren:
Ausgehend von der Notwendigkeit, Raumfahrzeugkomponenten für ihren Einsatz auf einen hochreinen Endzustand zu bringen, suchten die Reinraumspezialisten zunächst nach geeigneten Reinigungsverfahren. Um diese auswählen zu können, bedarf es einer objektiven und vergleichenden Beurteilung unterschiedlicher Reinigungstechnologien nach einem standardisierten Bewertungssystem. In Ermangelung eines solchen Systems musste im Rahmen des Projekts das Team der Abteilung »Reinst- und Mikroproduktion« einen spezifischen Raumfahrt-Ansatz entwickeln. Dazu wurden Bewertungskriterien definiert. Die festgelegten Kriterien wiederum müssen mit einer definierten Methodik und dazu passender Analytik quantitativ bestimmt werden, um größtmögliche Objektivität zu erlangen. Um die für solche Untersuchungen geforderte, sehr hohe Reinheit erzielen und messen zu können, kamen sowohl die Referenzreinräume der ISO-Klasse 1 des Fraunhofer IPA als auch die hier installierten Messtechniken wie vollautomatisierte Feld emissions-Rasterelektronenmikroskope für die Partikeldetektion und Gaschromotographie mit Massenspektrometrie-Kopplung (TD-GC/MS) für den Ultraspurennachweis von organischen oder filmischen Verunreinigungen zum Einsatz. Speziell bei biologischen Kontaminationen sollten die Mikroorganismen nicht nur abgetötet werden, vielmehr sollte eine komplette Entfernung der Mikroorganismen von der Oberfläche erfolgen. Deshalb wurde die klassische Bebrütung der Proben für die Bestimmung des Kontaminationszustands um eine völlig neuartige Übertragung der partikulären Reinigungsergebnisse durch Messung der Partikelhaftkraft erweitert. Ansatz dieser Entwicklung war die Annahme, dass die Partikelhaftkraft die entscheidende Größe zur Beurteilung der Abreinigbarkeit eines Partikels, also auch von Mikroorganismen, ist. Die dazu durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Partikelhaftkraftmessung mit dem Rasterelektronenmikroskop möglich ist und die ermittelten Reinigungseffizienzen mit den Haftkraftergebnissen schnell auf andere partikuläre Kontaminationen, auch Mikroorganismen, übertragen werden können.

Nach erster Selektion der präferierten Reinigungstechnologien, die auf Grundlage einer umfassenden Studie ermittelt wurden, fand schließlich eine finale Auswahl der für die Raumfahrt geeignetsten Verfahren mit Hilfe des Bewertungssystems statt.
Das ausgewählte Reinigungskonzept, bestehend aus Vor-, Haupt- und Endreinigung, wurde in eine adäquate Fertigungsumgebung bei der ESA integriert. Im niederländischen Noordwijk in den Forschungslaboren des Europäischen Weltraumforschungs- und Technologiezentrums (ESTEC) wurde dazu ein für diese Belange optimierter Reinraum unter Leitung des Fraunhofer IPA realisiert. Dieser musste sowohl die höchsten Anforderungen aus der Halbleiterindustrie (Kontrolle partikulärer, molekularer und elektrostatischer Kontaminationen) als auch die hohen Standards der pharmazeutischen Industrie (Kontrolle mikrobiologischer Kontaminationen) vereinen. Dies konnte durch den Einsatz innovativer Reinraumtechnik und optimierter Logistik-, Material- und Personalflüsse ermöglicht werden. Von der Reinigung, z. B. mit dem am Fraunhofer IPA optimierten CO2-Schneestrahlverfahren, über die sauberkeitsgerechte Montage bis hin zur Reinheitsvalidierung und Verpackung können alle Prozessschritte in diesem Reinraum durchgeführt werden.

Nutzbarmachung der Ergebnisse:
Die entwickelten Verfahren zur Reinheitsvalidierung stellen einen enormen Zugewinn an Sicherheit und Zuverlässigkeit in Bezug auf Kontaminationen für die europäische Raumfahrtindustrie dar. Auf Initiative der ESA werden die im Projekt erarbeiteten Erkenntnisse in eine allgemeingültige Norm zur Produkt- und Qualitätssicherung (ECSSQ-ST-70-54, Titel: »Ultra Cleaning of Flight Hardware«) der »Europäische Kooperation für Raumfahrtnormung« (ECSS) überführt. Durch die Normung der Ergebnisse und die hohe Akzeptanz der ECSS findet automatisch ein Transfer in andere Bereiche statt. So lassen sich die Erkenntnisse auch auf reinheitskritische Industrien wie die Halbleiterindustrie, Medizintechnik oder Automobilindustrie übertragen und nutzbar machen.

Ansprechpartner:
Dr.-Ing. Udo Gommel | Telefon +49 711 970-1633 | udo.gommel@ipa.fraunhofer.de | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Jörg Walz | Fraunhofer-Institut
Weitere Informationen:
http://www.ipa.fraunhofer.de

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