Verfahren zur direkten Reinigungsvalidierung von Partikeln im Submikrometerbereich für Raumfahrtanwendungen

Abstract

Raumfahrtsysteme setzen neueste, hochkomplexe Technologien ein, bei denen bereits geringste Mengen an partikulären und chemischen Verunreinigungen die Funktionalität und Zuverlässigkeit beeinträchtigen können. Speziell bei der Suche nach Leben im Weltraum kommt zudem organischen und mikrobiologischen Verunreinigungen im Mikrometer- und Submikrometerbereich eine besondere Bedeutung zu, da sie beispielsweise Analyseergebnisse verfälschen können. Zusätzlich und übergeordnet werden Raumfahrtmissionen über den sogenannten Weltraumvertrag der Vereinten Nationen durch Planetenschutzrichtlinien geregelt, um zu verhindern, dass Verunreinigungen von der Erde auf andere Himmelskörper gelangen und die Evolution sowie zukünftige Missionen beeinflussen. Die Raumfahrtindustrie steht damit wie keine andere reinheitskritische Branche vor der einzigartigen Herausforderung, sowohl extrem hohe partikuläre und chemische als auch anspruchsvolle mikrobiologische Reinheitsanforderungen erfüllen zu müssen. Diese anspruchsvollen Spezifikationen müssen in ihrer Gesamtheit eingehalten werden. Deshalb fehlen häufig Lösungsansätze, insbesondere im Bereich der Auswahl und Entwicklung von Reinigungsverfahren. Die Reinigung ist dabei ein immens wichtiges Element, da sie die letzte Möglichkeit bietet, die während der Montage von Flug-Hardware unvermeidbaren Verunreinigungen zu beseitigen und den Erfolg der oft milliardeneuroteuren Missionen nicht schon vor dem Start zu gefährden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde deshalb ein Verfahren zur direkten Reinigungsvalidierung von Submikrometerpartikeln entwickelt, das realitätsnahe, quantitative und reproduzierbare Ergebnisse liefert. Es kombiniert ein Analyseverfahren auf Basis der automatisierten rasterelektronenmikroskopischen Auswertung mit standardisierten Prüfkörpern aus raumfahrttypischen Materialien. Kontrastreiche Silber-Tracer-Partikel ermöglichen eine exakte quantitative Bestimmung der Reinigungseffektivität bis zu Verhältnissen von 100.000:1. Ein weiterer Schwerpunkt war die Übertragung der Ergebnisse auf realitätsnahe Gegebenheiten, da die Silber-Tracer-Partikel nicht raumfahrtspezifische Verunreinigungen darstellen. Die Messung der Partikelhaftkraft im Nano-Newton-Bereich wurde als zentrale Kenngröße ermittelt, um die Reinigungseffektivität auf verschiedene Kontaminations-Prüfkörper-Kombinationen zu übertragen. Ein neuartiges System mit Mikromanipulator und Kraft-Federtisch ermöglicht die direkte Bestimmung der Haftkraft, was die Übertragbarkeit sicherstellt. Am Beispiel der ExoMars-Mission wurde das Verfahren erfolgreich verifiziert. Die Reinigungseffektivität des CO2-Schneestrahlverfahrens wurde für relevante Materialien untersucht, wobei Unterschiede reproduzierbar nachgewiesen wurden. Das Verfahren ist inzwischen im Raumfahrtstandard ECSS-Q-ST-70-54 C integriert. Aufgrund seiner Universalität findet es auch in der Halbleiterindustrie, Pharmazie und Medizintechnik Anwendung und ist in den internationalen Standard DIN EN ISO 14644-13 aufgenommen worden.