Keimfreier Start ins All

Blitzblank zum Mars: Damit der Rover ExoMars ab 2018 zuverlässig auf unserem Nachbarplaneten nach Leben suchen kann, darf er selbst keine Kontaminationen einschleppen. Ein von deutschen Ingenieuren entwickelter Reinraum soll dies sicherstellen: Mit explosivem Kohlendioxid-Schnee lässt sich darin jedes einzelne Bauteil penibel von jeglichem Schmutz befreien.

Mikroorganismen sind bemerkenswert widerstandsfähig und lassen sich tatsächlich überall finden: Selbst in den saubersten Reinräumen der Weltraumagenturen leben noch Bakterien. Ihr Erbmaterial übersteht sogar den Flug auf der Außenhülle einer Rakete – inklusive Wiedereintritt in die Atmosphäre. Für die Weltraumforschung ist dies ein Problem: Kontaminationen an einer Sonde können schnell die Forschungsergebnisse verfälschen.

Sonde darf kein Leben einschleppen

Besonders heikel wird es, wenn eine Sonde Spuren von Leben auf einem fremden Planeten suchen soll, wie die europäische Mars-Mission „ExoMars“, deren Start für 2018 geplant ist. Eine Landefähre soll dann auf unserem Nachbarplaneten aufsetzen und ein Gefährt von der Größe eines Kleinstwagens losschicken. Damit dessen Sensoren bei der Suche nach Leben zuverlässig arbeiten können, darf die Sonde kein organisches Material von der Erde einschleppen – denn irdischer Schmutz ist auch voll von irdischem Leben.

Für dieses Problem haben Wissenschaftler um Udo Gommel vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart eine Lösung: Sie haben für die europäische Raumfahrtagentur ESA einen neuen Reinraum entwickelt. In dem Sitz des Europäischen Weltraumforschungs- und Technologiezentrums (ESTEC) im niederländischen Nordwijk eingerichteten Labor soll sich der ExoMars-Rover zuverlässig so sterilisieren lassen, dass all seine Bauteile absolut keimfrei sind.

Ein Milliarde Mal sauberer als Umgebungsluft

Selbst Verschmutzungen in der Größenordnung von Nanometern müssen dabei beseitigt werden. Zum Vergleich: Die kleinsten Bakterien und die größten Virensind etwa 300 Nanometer groß. Damit eine Kontamination verhindert wird, muss der Reinraum höchsten Reinheitsanforderungen entsprechen, 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.

Jenseits dieser technischen Anforderungen übernahmen Gommel und Kollegen auch Layout und Umsetzung des 70 Quadratmeter großen Reinraumes, von den Dimensionen des Raumes bis hin zur Auswahl der Filtertechnik und der Sterilisationssysteme: „Wir haben ein Rundumsorglos-Paket geschnürt“, sagt Gommel.

Auf diese Weise ist sichergestellt, dass alle Bestandteile aufeinander abgestimmt sind. „Beispielsweise ist es wichtig, dass der Boden in Bezug auf das Ausgasungsverhalten zu den Wänden passt“, führt der Physiker weiter aus. „Kunststoff sondert ausgasende, schädliche Produkte ab, die sich etwa auf optischen Linsen sammeln könnten. Die Kontaminationen würden Abbildungsfehler verursachen.“

Detonationsdruck fegt Schmutz restlos weg

Das Verfahren für die eigentliche Sterilisation des Mars-Rovers haben die Forscher ebenfalls weiter entwickelt. Ursprünglich dient die verwendete Technik dazu, den Lack von Flugzeugrümpfen zu entfernen. Ein harter Strahl aus reiskorngroßen Kristallen von gefrorenem Kohlendioxid (CO2) sprengt dabei die Farbe regelrecht vom Metall ab. Die Forscher haben das grobe Instrument stark verfeinert. Anstatt CO2-Pellets verwenden sie feinen Kohlendioxid-Schnee. 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.

Vom hochkomplexen Aluminiumwerkstück bis zum Unterlegscheibchen lässt sich so jedes Werkstück bearbeiten. „Es handelt sich dabei um ein trockenes Verfahren, das Oberflächen nicht aufquillt“, betont Gommel. „Diese lassen sich beim Reinigen mit CO2 schonend behandeln. Der Einsatz von Wärme oder Chemikalien ist nicht nötig.“

Auch wenn ExoMars erst 2018 starten soll, ist der Reinraum bereits jetzt in Betrieb und wird fortlaufend weiter optimiert. 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.

(Fraunhofer-Gesellschaft, 03.08.2015 – AKR)