Salas blancas en la exploración espacial

El éxito de empresas recién llegadas como SpaceX demuestra sobre todo una cosa: hay un espíritu de optimismo en la exploración espacial comercial y hay un sector que se beneficiará del crecimiento del mercado aeroespacial: la tecnología de salas blancas.

No sólo las empresas privadas, sino también las agencias espaciales estatales se han fijado objetivos ambiciosos. Según las previsiones de los consultores de gestión, el mercado mundial de la tecnología espacial se multiplicará por diez en los próximos 20 años hasta alcanzar los 2.700.000 millones de euros (2040).

Muchos científicos, ingenieros, proveedores y prestadores de servicios se beneficiarán de este crecimiento, así como los técnicos de salas blancas. Porque casi todos los implicados en los viajes espaciales tienen una cosa en común: una sala blanca.

En los viajes espaciales, son los pequeños detalles los que hacen fracasar los grandes proyectos. Cuando se lanzó un Ariane 4 en 1990, fue un trapo de limpieza en una tubería lo que provocó el accidente. En 1994 se produjeron dos falsos arranques porque la suciedad había paralizado una turbo-bomba. Esto no sólo le ocurre a la Agencia Espacial Europea (ESA). La NASA necesitó cinco misiones de reparación para subsanar un defecto de fabricación en el telescopio Hubble. El espejo primario estaba rectificado unos pocos micrómetros demasiado plano. Esto se descubrió demasiado tarde, concretamente sólo en la parte superior.

Los ejemplos muestran la naturaleza especial de los requisitos técnicos en los viajes espaciales: Los agregados y los satélites deben ser y seguir siendo 100% funcionales cuando llegan al lugar de operación y han de estar operativos en órbita durante varias décadas. Una vez en el espacio, la reparación y la limpieza suelen ser imposibles.

Incluso las partículas más pequeñas son capaces de poner en peligro las misiones. Las ópticas manchadas, las juntas de soldadura sucias, los rodamientos poco limpios son puntos débiles que hay que evitar. Los ingenieros lo han aprendido de forma ardua y costosa, mediante el análisis de errores tras los accidentes.

La automatización no ofrece ninguna salida; la integración de los satélites sigue siendo una tarea manual.

La consecuencia más importante de esta curva de aprendizaje es el desarrollo continuo de la sala blanca. Incluso su creación está estrechamente relacionada con los viajes espaciales.

Para seguir desarrollando el cohete alemán V2, los estadounidenses construyeron una de las primeras salas blancas técnicas para el montaje de dispositivos giroscópicos. Dado que las funciones de control y supervisión de los aviones y cohetes iban a ser cada vez más precisas, también aumentó la necesidad de precisión en la producción.

De este modo, el desarrollo de la tecnología de salas limpias apoyó a la industria aeroespacial, al igual que marcó las tendencias del gremio de salas limpias con sus requisitos y presupuestos. Maximizar la fiabilidad, es decir, reducir la tasa de fallos de los lanzadores y las cargas útiles, es la contribución esencial de las salas blancas actuales a los viajes espaciales. Los satélites se crean a lo largo de una larga cadena de salas blancas. Ésta abarca desde la producción e integración de componentes hasta el transporte al lugar de lanzamiento y al espacio.

Además de la tecnología, el factor crítico es siempre el ser humano. Él es la principal fuente de contaminación en la sala limpia, ya que libera de uno a 30 millones de partículas de tamaño >0,3 µm por minuto. Por ello, el personal activo en la zona limpia lleva trajes de protección especiales. Estos protegen el producto y no al personal, a diferencia de los trajes para los viajeros del espacio.

Requisitos de pureza entre la inspección visual y el riesgo biológico

Los misiles que van a aterrizar en otros cuerpos celestes son los que plantean mayores exigencias de pureza. No deben tener ni partículas ni gérmenes a bordo. Si viajaran con esporas o bacilos, falsearían las mediciones en la búsqueda de vida extraterrestre. Además, violarían parte del Tratado del Espacio Exterior, firmado en 1967 con motivo de las misiones Viking a Marte.

En aquel momento, Estados Unidos y la Unión Soviética acordaron actuar con cautela, al menos en el otro lado del mundo. Ningún planeta extranjero debería verse influenciado en su desarrollo por la entrada de flora y fauna terrestre.

Mientras tanto, 110 naciones que viajan al espacio se han sumado a este principio. Dado que este tipo de misiones sólo se producen en contadas ocasiones, las salas blancas existentes se reconvierten para su integración.

Durante las pausas de trabajo, las lámparas UV eliminan los gérmenes en el aire. Los conjuntos se irradian radioactivamente, se gasean con cloro o se calientan a más de 140°C. Las medidas de esterilización se aplican hasta que se alcanza un límite inferior del número de gérmenes. No es posible una integración completamente libre de gérmenes. Por este motivo, la esterilización integral es inevitable para las unidades de desembarco.

En el otro extremo del espectro de requisitos de limpieza se encuentra la categoría «Visible Clean». Esta clase, la más baja de todas, no existe en ningún conjunto de normativas de otras industrias, sólo en la norma espacial ECSS-Q-ST-70-01C (Cooperación Europea para la Normalización Espacial – ECSS).

Visible Clean es una norma para los laboratorios de desarrollo, no para la integración. El personal cambia constantemente entre el laboratorio y la oficina, no hay esclusa de aire. También falta un control de la presión y el flujo de aire en la sala no está definido. Sólo se evita la contaminación directa por la ropa de calle. Las salas de este nivel mínimo admisible también pueden describirse como de clase ISO 9 o como zona básicamente controlada.

Todas las salas blancas de categoría superior están climatizadas. Su temperatura suele ser de 22°C (+/-3°C) y su humedad relativa es del 55% (+/-10%). La humedad controlada protege los componentes electrónicos: El aire seco puede provocar descargas eléctricas. Los suelos ESD (Electrostatic Discharge) también evitan las descargas eléctricas. El equipo ESD incluye ropa, calzado y guantes disipadores, todos ellos adecuados para evitar tensiones superiores a 100 voltios.

Otros equipos incluyen grúas especialmente equipadas con unidades de accionamiento encapsuladas y correas recubiertas. Esto se debe a que los impulsores generan abrasión y las cuerdas de suspensión lubricadas desprenden gases.

Los satélites que sólo llevan a bordo componentes electrónicos, como radares o sistemas de comunicación, tienen requisitos medios. La mayoría de los satélites proceden de salas blancas de clase ISO 7 y 8, pero sus componentes sensibles merecen más atención. Estos satélites también están equipados con sensores estelares para el posicionamiento autónomo (autosuficiente) y con sistemas de control de actitud que funcionan con líquido o gas. Las válvulas deben ser estancas. Las fugas acortan la vida útil. Estos componentes suelen estar cubiertos durante la integración.

En la clase ISO 8, se produce un intercambio de aire con aire filtrado acondicionado hasta 40 veces por hora. Hay una sobrepresión de 20 a 30 pascales en la sala. Los sensores de partículas láser controlan que no haya más de 3.520.000 partículas de tamaño 0,5 µm y 29.300 partículas de tamaño 5 µm por minuto y por m3; en el aire. La clase ISO 7 muestra 352.000 partículas de tamaño 0,5 µm y 2.930 partículas de tamaño 5 µm.

La propia sala limpia se recalifica y calibra una vez al año.

Es obligatorio el uso de batas o monos para la sala limpia, zapatos para la sala limpia y un casco para la cabeza, así como una venda para la barba en el caso de quienes la lleven. Cualquier persona que manipule la aeronave debe llevar guantes. Los componentes sólo entran y salen del avión a través de esclusas. Aunque se trata de una sala limpia, la sala no está libre de polvo y debe limpiarse según el plan y la normativa. Los contaminantes se depositan en zonas tranquilas en el suelo o en las superficies. Una vez al día se limpia la sala con una fregona y agua destilada.

Los satélites con sistemas ópticos extremadamente sensibles, como los de reconocimiento, se integran en una sala blanca de clase 5. Las partículas en las superficies ópticas aumentan el componente de luz dispersa, mientras que las impurezas moleculares provocan interferencias espectrales. La limpieza con un cepillo suave lleva mucho tiempo y puede rayar el revestimiento. Tras el lavado, pueden quedar rayas. Por tanto, es prioritario tratar de evitar toda contaminación. Por ello, no debe utilizarse silicona en la sala blanca. La silicona se evapora en >20 años, liberando así moléculas.

Los vapores durante el funcionamiento deben eliminarse a través del sistema de ventilación. Lo ideal es un flujo de desplazamiento vertical de baja turbulencia desde el techo hasta el suelo.

Otra posibilidad es un flujo horizontal. La superficie de descarga está formada por una rejilla con muchas unidades de ventilación con ventilador y filtro terminal. Las superficies de los bancos/mesas de trabajo suelen estar perforadas para permitir que el aire fluya sin crear turbulencias molestas. Los empleados entran en la sala limpia ISO 5 a través de un sistema de esclusas de las clases de sala limpia ISO 7/8, donde ajustan su ropa a los requisitos más exigentes.

Tendencias de las futuras salas de integración de satélites

Cuando se observa el futuro de las salas blancas para viajes espaciales, destacan los mayores requisitos y costes. La integración de un satélite de unos 5 m de longitud requiere una superficie de unos 300 m2. El precio por metro cuadrado se basa en una cuota de uso de varios cientos de euros al día. Esto significa que sólo los costes de la sala blanca ya suponen millones.

Al hacer frente a estos costes, se observa en los proyectos comerciales que los inquilinos tienden a elegir una clase de sala limpia más barata, es decir, demasiado baja, o a reducir la vida útil. La automatización no ofrece ninguna salida; la integración de los satélites sigue siendo una tarea manual.

Especialmente los sistemas ópticos aumentan los requisitos de las salas blancas. Deben mirar cada vez más lejos en el espacio o tomar imágenes más detalladas de la Tierra. En la actualidad, los seres humanos sólo ven una fracción de los 10.000 millones de billones de estrellas que se calcula que existen. Una mirada más profunda en el espacio requiere tecnologías más precisas.

Un ejemplo de ello es el proyecto ATHENA de la ESA, un telescopio de rayos X con una construcción de espejo hecha de millones de obleas de silicio de tamaño micrométrico. Los satélites en miniatura, con longitudes de borde de sólo 10 cm, también requieren una mayor calidad de la sala blanca.

Cuanto más miniaturizados son los sistemas, más sensibles son al polvo. En el futuro, estos satélites deberán integrarse en salas de clase ISO 5 o superior. Esto puede lograrse de forma económica estableciendo una clase superior sólo para una zona limitada.

Incluso esto no será suficiente para los satélites con sistemas ópticos sofisticados. Ya no se centran sólo en las partículas, sino en las moléculas (AMC – Airborne Molecular Contamination), especialmente en los componentes orgánicos del aire.

Si un empleado llega a respirar sobre un panel solar, se produce una reducción medible del rendimiento. Esto es permanente, y la limpieza no lo cambia. Las moléculas pueden filtrarse con filtros de carbón activado no específicos para el aire de suministro y de circulación. Un estándar que pronto estará disponible en todas las salas blancas de la clase ISO 5. También hay que aplicar normas más estrictas a la tecnología de medición. Hasta ahora, tras varios días de exposición a un muestreador, sólo se puede realizar un análisis posterior. Para eliminar las fuentes inmediatamente, sería necesario medir en tiempo real.

Transporte en sala blanca móvil

La integración de los satélites requiere muchos transportes. El eslabón más débil de la cadena determina la calidad final. Por tanto, las condiciones de transporte deben ser las mismas que las de integración. El contenedor de transporte es, en principio, una robusta sala blanca móvil de clase 8 que incluye control climático.

A menudo se inunda con nitrógeno seco y se presuriza con una ligera sobrepresión. Antes de que el fuselaje del satélite entre por arriba o por el lado, el contenedor de transporte, ya limpio, se limpia finamente en una esclusa de aire.

El contenedor sólo se encuentra con el satélite en la esclusa principal. Los accesorios voluminosos, como el colector solar y las antenas, viajan por separado. Cuando se transporta con un camión de plataforma, los choques sólo pueden transmitirse de forma amortiguada. Para ello, el contenedor y la estructura de soporte del satélite se desacoplan mediante elementos elásticos.

El satélite se somete a pruebas en centros de ensayo con amplias salas blancas de clase ISO 7 y 8, que no están disponibles en todos los centros de integración. El acceso a las instalaciones de prueba, en las que se simulan condiciones espaciales como presión negativa, escenarios de temperatura y vibraciones, se realiza desde una sala limpia central.

La integración de satélites requiere muchos transportes

En el «shaker», el satélite se agita de la misma manera que durante el lanzamiento. Si los componentes se rompen en el proceso, los montajes pueden ser reforzados o rediseñados y dimensionados a tiempo. Para no aumentar innecesariamente los requisitos de calidad de la sala blanca, se cubren los subsistemas sensibles. Tras el éxito de las pruebas, los satélites se llevan directamente al lugar de lanzamiento, normalmente en un avión de carga. El contenedor para el transporte aéreo debe cumplir los requisitos de la IATA (Asociación Internacional de Transporte Aéreo). Entre ellos se encuentra un disco de ruptura que garantiza la igualación de la presión cuando la presión de la cabina desciende.

La calidad de la sala limpia también debe mantenerse en el lugar de lanzamiento. O bien el satélite se monta en una sala limpia en una cápsula de carga útil cerrada y separada. La ventaja de la separación espacial de la sala de integración y el cohete se adquiere con un adaptador adicional. Otra posibilidad es montar el satélite directamente en el portador. En este caso, el nivel de interfaz del portador con la carga útil se extiende a una sala limpia donde se coloca el satélite y se conecta con un anillo de sujeción. Antes de cerrar el casco exterior (carenado), se comprueba si se han colado polizones.

Pero no sólo éstos son responsables de la contaminación, sino también la propia atmósfera. En los foros de Internet, los técnicos informan sobre salamanquesas y telas de araña que hubo que evitar que viajaran, ya sea por inundación de nitrógeno o con la ayuda de un aspirador. Cuando la cáscara exterior se desprende a una altitud de 100 km, la atmósfera es tan fina que ya no hay riesgo de contaminación por polizones.

Viaje de la sala blanca al vertedero

Por mucho que la humanidad se esfuerce en enviar a sus mensajeros del cielo en estado limpio, es negligente con sus satélites en el otro extremo del ciclo de vida.

A finales de marzo de 2020, 2.700 satélites funcionales orbitaban la Tierra, 1.300 de ellos de Estados Unidos.

Sin embargo, se encuentran en compañía de unos 17.000 satélites averiados o que ya no son necesarios. El modelo MASTER-2005 de la ESA supone que hay más de 600.000 objetos de más de 10 mm de diámetro en órbita alrededor de la Tierra. Otras simulaciones lo estiman en 150 millones de objetos. El Sistema de Vigilancia Espacial de EE.UU. realiza un seguimiento continuo de los objetos de más de 50 mm. Cuando se acercan, es necesario realizar maniobras evasivas y la estación espacial ISS también se ve obligada a realizar correcciones de rumbo de vez en cuando.

Las ideas para una tripulación de limpieza van desde aspiradoras espaciales hasta el disparo de desechos espaciales.

Sea cual sea el método de limpieza utilizado, a las naciones espaciales les espera mucho trabajo si quieren limpiar en la órbita terrestre. Si consiguen barrer delante de su puerta, esto demostraría el esfuerzo de la humanidad por establecerse en el sistema solar a largo plazo, para partir de aquí quizás más tarde hacia nuevos mundos.

Como siempre, desde Isobox Systems, tratamos de acercar todo el entorno que compone una sala blanca y las diferentes aplicaciones que esta puede tener, a nuestros clientes. Ofrecemos información de la importancia y usabilidad de este tipo de salas y, sobre todo, estamos dispuestos siempre a diseñar y desarrollar el entorno de sala blanca ideal para cada necesidad.