Reine Raumfahrt

[2] Hubble Telescope (Copyright Pixabay)

[1] Die Milchstraße (Copyright Stefan Dittel)

[3] ITC – Airbus Defence and Space (Copyright Airbus D&S)

[4] ITC – Airbus Defence and Space (Copyright Airbus D&S)

[5] Qualifizierungsmessung – DITTEL Engineering (Copyright DITTEL Engineering)

[6] Partikel auf dem Sonnensegel (Copyright Airbus D&S)

[7] Das Universum (Copyright Pixabay - Image by Pexels from Pixabay)

[8] Spiegelmodul ATHENA (Copyright Airbus D&S)

[9] Transportcontainer (Copyright Airbus D&S)

[10] Launch – Kourou / Französisch Guyana (Copyright Airbus D&S)

(Copyright Shutterstock)

Prof. Dr. Gernod Dittel

Dr. Berthold Vogt

Der Reinraum ist der Kreißsaal aller Satelliten. Bevor sie ins All aufbrechen, erblicken alle künstlichen Himmelskörper hier das Licht einer Welt, die sie schon bald darauf für immer verlassen. Weil Fehler später nicht mehr korrigiert werden können, müssen bei Montage und Transport alle Fehlerquellen aus dem Weg geräumt sein und seien sie noch so winzig.

Die Erfolge von Newcomer-Firmen wie SpaceX zeigen vor allem eins: In der kommerziellen Raumfahrt herrscht Aufbruchstimmung. Nicht nur Unternehmen, auch staatliche Raumfahrtbehörden vieler Länder haben sich ehrgeizige Ziele gesetzt.

Einmal abgesehen von Markus Söders Ankündigung eines eigenständigen Raumfahrtprogramm Bayerns („Bavaria One“), tritt Deutschland eher bescheiden auf. Um nicht ins Hintertreffen zu geraten, verlangt der Bundesverband der Deutschen Industrie (BDI) eine massive Aufstockung des deutschen Raumfahrtbudgets.

In seinem Grundsatzpapier „Zukunftsmarkt Weltraum“ zitiert der BDI Prognosen von Unternehmensberatungen. Demnach werde sich der Weltmarkt für Raumfahrttechnik in den nächsten 20 Jahren verzehnfachen. Die Umsätze sollen von 260 Milliarden Euro (2019) auf 2.700 Milliarden Euro im Jahr 2040 steigen. Der Marktanteil deutscher Firmen wird derzeit auf 3 Milliarden Euro geschätzt.

Die Berichterstattung über den Vorstoß des Industrieverbands konzentrierte sich auf den exotisch klingenden Vorschlag, in Deutschland einen Raketenstartplatz einzurichten. Etwas unter ging dabei, dass lediglich ein „Micro Space Port“ gewünscht wurde, von dem aus höchstens kleinere Raketen mit kleinen Satelliten abheben könnten. Die eindrucksvollen Bilder von Raketenstarts in fernen Ländern verdrängen ohnehin, dass die deutsche Raumfahrtindustrie daran oft beteiligt ist. In ihren technischen Nischen haben deutsche Wissenschaftler, Ingenieure und Dienstleister bedeutende Rollen übernommen. Die 190-seitige Branchenübersicht „Deutsche Raumfahrtakteure“ des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) führt in jedem Bundesland Dutzende Firmen und Institutionen auf, die Beiträge zur modernen Raumfahrt leisten. Eine Gemeinsamkeit haben sie fast alle: einen Reinraum. Denn ohne Reinraum keine Raumfahrt.

Deutschland investiert in Reinräume statt Raketen

In der Raumfahrt sind es kleine Dinge, die große Vorhaben scheitern lassen. Beim Start einer Ariane 4 im Jahr 1990 war es ein Putzlappen in einer Rohrleitung, der den Absturz und damit den Verlust zweier Satelliten verursachte. Bis heute ist umstritten, ob es Sabotage war oder Nachlässigkeit. 1994 kam es zu zwei Fehlstarts, weil Verschmutzungen eine Turbopumpe für flüssigen Sauerstoff lahmgelegt hatten. So etwas passiert nicht nur den Europäern, also der European Space Agency (ESA). Fünf Reparaturmissionen benötigte beispielsweise die NASA, um einen Fertigungsfehler beim Weltraumteleskop Hubble auszubügeln.

Der monatelang penibel geschliffene große Primärspiegel war um einige Mikrometer flacher, als er für einen scharfen Fokus hätte haben dürfen. Das fand man zu spät heraus, nämlich erst oben.

Die Beispiele zeigen die Besonderheit technischer Anforderungen in der Raumfahrt: Aggregate und Satelliten müssen zu 100 Prozent funktionstüchtig sein, wenn sie am Einsatzort anlangen – sei das der erdnahe Raum, ein anderer Planet oder eine Reise jenseits des Sonnensystems. Einmal im All, sind Reparaturen meist unmöglich. Ausnahmen kosten enorme Mühen.

Im Orbit können Satellitenteile auch nicht mehr gereinigt werden. Dabei sind selbst kleinste mitgebrachte Partikel in der Lage, den Erfolg von Missionen zu gefährden. Verschmierte Optiken, verschmutzte Lötstellen, unsaubere Lager sind Schwachstellen, die es zu verhindern gilt. Das haben die Ingenieure im Lauf der Raumfahrtgeschichte aus schmerzhaften wie kostspieligen Erfahrungen gelernt.

Die Fehleranalyse nach Unglücken führt je nach System zu spezifischen Maßnahmen – im Fall des Ariane-Putzlappens etwa dazu, dass seitdem vorm Start schmale Leitungen endoskopisch überprüft werden. Vor allem hat die Lernkurve dazu geführt, dass Satelliten heute viel abgeschirmter in geschützter Atmosphäre hergestellt werden als früher.

Die wichtigste Konsequenz zur Verhinderung solcher millionenschwerer kleiner Fehler ist der stetig weiterentwickelte Reinraum. Seine Entstehung ist eng mit der Raumfahrt im 20. Jahrhundert verbunden. Um die deutsche Rakete V2 nach dem Krieg weiterzuentwickeln, errichteten die Amerikaner einen der ersten technischen Reinräume, in dem sie Kreiselvorrichtungen für Raketensteuerungen montierten. Dieser Raum war noch mit Edelstahl verkleidet – in der Annahme,  dass sich Staubpartikel daran nicht festsetzen, sondern rasch zu Boden fallen würden. Das war dann allerdings nicht der Fall. Weil die Steuer- und Kontrollfunktionen von Flugzeugen und Raketen immer genauer werden sollten, stieg auch der Bedarf an Präzision in der Fertigung. Somit unterstützte die Weiterentwicklung der Reinraumtechnik die Raumfahrt, ebenso wie diese mit ihren Anforderungen und Budgets Trends setzte für die Reinraumzunft.

Die Zuverlässigkeit der raumfahrttechnischen Systeme zu maximieren, das ist der wesentliche Beitrag heutiger Reinräume zur kommerziellen und wissenschaftlichen Raumfahrt. Sie senken die Fehlerquote bei den Trägern und der Nutzlast. Satelliten entstehen entlang einer langen Reinraumkette. Die reicht von der Komponentenfertigung über die Montage – in der Satellitentechnik „Integration“ genannt – bis über den Transport zum Startplatz und letztlich bis ins All. Auch die Suche nach möglichen Schwachstellen in großen Testeinrichtungen, die sich meist über mehrere Monate hinzieht, findet in Reinraumumgebung statt. Während der Integration herrscht ein hoher Qualitätsstandard. Alle Arbeitsschritte werden kontrolliert und dokumentiert. Neben der direkten Anforderung der Systeme an die Reinraumqualität ist auch die Disziplin der Mitarbeiter ein kritischer Faktor.

An einem sauberen und aufgeräumten Arbeitsplatz ist auch das Verantwortungsbewusstsein des Mitarbeiters groß. Die Hauptkontaminationsquelle im Reinraum ist der Mensch, gibt er doch pro Minute ein bis >10 Millionen Partikel ≥0,3 µm unterschiedlicher Größe ab. Um diesen Eintrag zu reduzieren, tragen Reinraumarbeiter Schutzanzüge. Die schützen eher das Produkt, nicht das Personal – anders als Anzüge für Raumfahrer.

In Deutschland sind vor kurzem zwei riesige Hallen mit Arbeitsplätzen für Satellitenschrauber hinzugekommen. Mit dem Integrated Technology Centre (ITC) hat Airbus in Friedrichshafen 2019 nach eigenen Angaben gar „Europas modernstes Satelliten-Integrations- und Raumfahrt-Technikzentrum“ eröffnet. Die Reinraumfläche am Standort wurde verdreifacht. Auf insgesamt 4.000 Quadratmetern können nun gleichzeitig mehrere Satelliten, Sonden und deren Instrumente hergestellt werden, je nach Anforderung in verschiedenen ISO-Klassen.

Ein Jahr später stellte Konkurrent OHB in Bremen seine neue Integrationshalle fertig. Der „PLATO-Halle“ genannte ISO-8-Reinraum des Raumfahrtkonzerns ist mit rund 11 Metern Höhe und rund 1.400 Quadratmetern der größte Reinraum der OHBGruppe. 15 Millionen Euro flossen in das Bauwerk, in dem neben Wetter- und Kommunikationssatelliten das Weltraumobservatorium PLATO gebaut werden soll.

Reinheitsanforderungen zwischen Sichtkontrolle und Biohazard

Die höchsten Anforderungen an die Reinheit stellen Forschungssatelliten, die auf anderen Planeten oder auf Kometen landen sollen. Sie dürfen nicht nur keine störenden Partikel, sondern auch keinerlei Keime an Bord haben. Sollten doch Sporen oder Bazillen mitreisen, würden sie bei der Suche nach extraterrestrischen Lebensspuren die Messungen verpfuschen. Zudem würden sie völkerrechtliche Verträge verletzen, genauer einen speziellen Teil des „Vertrags über die Grundsätze zur Regelung der Tätigkeiten von Staaten bei der Erforschung und Nutzung des Weltraums einschließlich des Mondes und anderer Himmelskörper“, kurz: Weltraumvertrag. Im Vorfeld der Viking-Missionen zum Mars kamen USA und Sowjetunion 1967 überein, wenigstens jenseits der Erde Vorsicht walten zu lassen. Kein fremder Planet sollte durch den Eintrag hiesiger Flora und Fauna in seiner Entwicklung beeinflusst werden. Dem Grundsatz haben sich inzwischen 110 raumfahrende Nationen angeschlossen, die Bundesrepublik 1971. Seitdem sind Landeeinheiten die am strengsten zu reinigenden Weltraumaggregate. Eine komplett keimfreie Integration ist nicht möglich.

Darum ist zwischen den Arbeitsschritten oder vor der Abreise eine umfassende Sterilisation unvermeidlich – und dringend geboten. Denn wie die raumfahrende Menschheit inzwischen weiß, sind irdische Keime durchaus in der Lage, im Weltall ein Eigenleben zu entwickeln. Experimente auf der Raumstation ISS zeigten, dass selbst das Vakuum manchem Bazillus nicht den Garaus macht. Ein anderes, hier nicht weiter verfolgtes Reinraumkapitel behandelt Keime, die an Bord bemannter Raumschiffe (kaum) zu beherrschen sind. Pilzkulturen sollen sich etwa in der Raumstation MIR hinter Verkleidungen ausgesprochen wohlgefühlt haben.

Allein mit Hygiene lässt sich nur wenig erreichen, wenn Menschen gezwungen sind, über lange Zeit auf engstem Raum im geschlossenen System zu leben und zu arbeiten.

Satelliten-Missionen auf fremde Planeten oder Kometen finden nur sehr selten statt. Darum werden zu ihrer Integration vorhandene Reinräume umgerüstet, meist solche der ISO-Klasse 5. In Arbeitspausen werden UV-Strahler an den Wänden eingeschaltet, die Keime in der Luft abtöten. Einzelne Komponenten oder Baugruppen lassen sich sterilisieren, in dem sie radioaktiv bestrahlt, mit Chlor begast oder über 140 °C erhitzt werden. Das Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) befasst sich im ESA-Auftrag seit 1999 mit innovativen Sterilisationsmethoden. Anders als klassische Sterilisationsverfahren entfernt eins der neuen Reinigungsverfahren getötete Mikroorganismen, statt sie zurückzulassen. Das ist einem Strahl eiskalter, dennoch weicher Kohlendioxidkristalle zu verdanken, die nach getaner Arbeit abgesaugt werden. Sterilisierungsmaßnahmen werden solange angewendet, bis ein unterer Grenzwert für die Keimzahl erreicht ist.

Raumfahrtspezifische Sonderklasse „Visible Clean“

Am anderen Ende des Spektrums der Reinheitsansprüche in der Raumfahrt steht die Kategorie „Visible Clean“. Diese unterste aller Reinraumklassen gibt es interessanterweise in keinem Reinraumregelwerk anderer Branchen, nur in der europäischen Raumfahrtnorm ECSS-Q-ST-70-01C (European Cooperation for Space Standardization – ECSS). Visible Clean ist ein Reinraumstandard zur Entwicklung und Forschung in Laboren, nicht aber für die Integration von Fluggeräten. Das Personal wechselt ständig zwischen Labor und Büroarbeitsplatz. Eine Schleuse gibt es nicht. Eine Druckregelung fehlt ebenfalls und die Luftströmung im Raum ist nicht definiert. Mitarbeiter streifen sich beim Betreten lediglich Reinraumkittel und neue Schuhe über, um eine direkte Kontamination durch Straßenkleidung zu vermeiden.

Statt die Reinraumqualität permanent zu messen, findet bei Bedarf eine Untersuchung mit Weißlicht statt. Sie gilt Partikeln größer 10µm, die mit bloßem Auge erkennbar sind. Räume dieses untersten zulässigen Niveaus können auch als ISO-Klasse 9 bezeichnet werden.

Alle höherklassigen Reinräume haben eine Klimatisierung. Ihre Temperatur liegt bei 22 °C (+/-3 °C) und ihre relative Luftfeuchte bei 55 % (+/-10 %). Geregelte Feuchte ist relevant für den Betrieb von elektronischen Komponenten: Bei trockener Luft kann es zu elektrischen Überschlägen kommen. Einige Elektronikboxen wurden bei der Integration schon zerstört, weil Mitarbeiter elektrisch geladen waren. Um solche Kurzschlüsse zu vermeiden, sind mehr und mehr Räume mit ESD-Fußböden (Electro Static Discharge) ausgestattet worden. Dabei handelt es sich um eine elektrisch ableitende Beschichtung in einem Widerstandsbereich kleiner 1 MOhm. Zur ESDAusstattung gehören ableitfähige Bekleidung samt Schuhen und Handschuhen, allesamt geeignet, den Aufbau von Spannungen über 100 Volt zu verhindern.

Reicht für die meisten Satelliten: ISO-Klasse 7 und 8?

Die Reinraumklasse ISO 7 und 8 nach DIN EN ISO 14644 wird für die Integration der meisten Satelliten verwendet. Eher geringe Anforderungen an die Reinraumqualität stellen Satelliten, die primär elektronische Komponenten wie Radarsysteme oder auch Kommunikationssysteme an Bord haben.

Stärkeres Augenmerk verdienen hier vor allem die optischen Komponenten. Auch diese Satelliten sind mit Sternensensoren ausgestattet, die autonom die Position des Raumfahrzeugs im Orbit bestimmen. Zudem sind die Satelliten mit Lageregelungssystemen oder Antriebsaggregaten bestückt, die mit flüssigen oder gasförmigen Komponenten arbeiten. Die Ventile müssen absolut dicht sein, das heißt partikelfrei. Jede Leckage verkürzt die Lebensdauer.

All diese kontaminationsempfindlichen Komponenten sind während der Integration meist verschlossen oder abgedeckt und werden erst kurz vor dem Start aktiviert.

In Reinräumen dieser Klasse findet ein permanenter Luftwechsel mit konditionierter und gefilteter Luft statt, und zwar mit einer Wechselrate von bis zu 40-mal pro Stunde. Die Luft wird an der Decke mit Drallauslässen eingeblasen und verteilt sich aufgrund der turbulenten Strömung im gesamten Raum.

Die Luft wird am Fußboden abgesaugt, wieder konditioniert, mit Frischluft versehen und anschließend wieder gefiltert eingeblasen. Gegenüber angrenzenden Räumen herrscht ein Überdruck von 20 bis 30 Pascal. Die Druckkaskade beginnt im Außenbereich, führt über Personen- und Materialschleusen und endet im Reinraum. Die Konditionen werden permanent mit kalibrierten Sensoren überwacht und aufgezeichnet.

Die Partikelkonzentration messen üblicherweise Laser-Partikelsensoren, die an einem Unterdrucksystem angeschlossen sind und von einem Teilluftstrom aus dem Reinraum durchströmt werden.

Nicht mehr als 100.000 Partikel mit einer Größe von 0,5µm bis 5µm pro Minute und Kubikfuß sind statthaft. Eine alternative Messung ist die PFO-Messung (particle fall out) auf einer ausgelegten kleinen Metallplatte. Für einen Reinraum der ISO-Klasse 8 liegen die Messwerte typisch unter 275 ppm/24h. Der Reinraum ist einmal jährlich zu kalibrieren, wobei Laser-Sensoren die Partikelkonzentration an verschiedenen Stellen messen. Die Anzahl der Messstellen berechnete sich bis vor kurzem aus der Quadratwurzel der Grundfläche des Raums. Die neue Festlegung der Anzahl der Messstellen berechnet sich aus der Grundfläche des Raumes gemäß Tabelle der DIN EN ISO 14644-1.

Ein für Partikel undurchlässiger Reinraumkittel, Reinraumschuhe und Kopfbedeckung bzw. ein Overall sind ebenso obligatorisch wie eine Bartbinde für Bartträger. Wer am Fluggerät hantiert, trägt Handschuhe. Auch die Bauteile gelangen nur über Schleusen hinein und hinaus. Obwohl es sich um einen Reinraum handelt, ist der Raum nicht staubfrei und muss regel- und planmäßig gereinigt werden. Durch Personen und Material werden immer wieder Verunreinigungen eingetragen, die sich in beruhigten Zonen am Boden oder auf Flächen ablagern.

Typischerweise wird einmal pro Tag mit einem feuchten Wischmopp gewischt und zwar nur mit destilliertem Wasser bzw. mit destilliertem Wasser, gemischt mit einem 5 - 15 %-igen Anteil von Isopropanol. Alle Einbauten und Ausstattungen sollten leicht reinigbar sein und selbst keine Partikel abgeben. Bei Kränen im Reinraum ist die Antriebseinheit zu kapseln, Tragseile sind durch beschichtete Bänder zu ersetzen. Denn Laufräder erzeugen Abrieb, während geschmierte Tragseile ausgasen.

Höhere Ansprüche erfüllt ISO-Klasse 5

In einem Reinraum dieser Klasse werden Satelliten mit extrem empfindlichen Systemen integriert. Das sind vor allem optische Aggregate, zum Beispiel Aufklärungssatelliten. Eine partikuläre Verunreinigung der optischen Oberflächen führt zu einem vergrößerten Streulichtanteil, das senkt die Leistungsfähigkeit, während eine molekulare Verunreinigung eine spektrale Beeinträchtigung bewirkt. Aufnahmen werden verfälscht, ebenso Infrarotmessungen von Temperaturen. Eine Reinigung – oft mit einem weichen Pinsel oder einer Feder unter Benutzung von Reinraumstaubsaugern – ist sehr aufwendig und nicht immer erfolgreich. Die optische Oberfläche und das weiche Coating können dabei verkratzt werden.
Waschprozesse sollen molekulare Kontaminationen entfernen, es können jedoch Schlieren zurückbleiben. Vorrang hat daher der Versuch, bei der Integration alle Kontaminationen zu vermeiden. Bereits die Planung von Reinräumen dieser Klasse sollte darum molekulare Kontaminationsquellen möglichst ausschließen. Silikon und seine Derivate dürfen nicht verbaut werden.

Silikon dampft 50 Jahre lang aus, setzt also Moleküle frei. Deren Beseitigung auf optischen Oberflächen ist nur mit Chloroform möglich und selten erfolgreich. Ausdünstungen während des Betriebs sind übers Lüftungssystem zu eliminieren. Im molekularen Bereich schaffen das nur unspezifische Aktivkohlefilter (Airborne Molecular Contamination – AMC), die sämtliche Umluft filtern.

Für die Messung der molekularen Verunreinigung werden sogenannte WitnessPlates ausgelegt. Der Niederschlag der Moleküle kann mit einem IRSpektrophotometer analysiert werden. Der maximale Messwert für entsprechende Räume sollte 7,1 x 10⁻⁹ g/cm² am Tag nicht überschreiten. Da die untere Nachweisgrenze bei den Analysegeräten bei 5 x 10⁻⁸ g/cm² liegt, muss die Probe längere Zeit ausgelegt werden, typisch sind vier bis sechs Wochen. Das Lüftungssystem ist so konzipiert, dass eine turbulenzarme (annähernd laminare), gerichtete Verdrängungsströmung entsteht. Ideal ist eine vertikale Strömung von der Decke bis zum Boden. Dadurch werden Verunreinigungen unmittelbar nach unten abgeleitet. Eine andere Möglichkeit bietet die horizontale Strömung von einer Wand zur gegenüberliegenden oder von der Wand hin zum Boden über sogenannte reitende Strömungen. In dem Fall müssen Mitarbeiter aber beachten, sich bei kritischen Aktivitäten der Luftströmung so zuzuwenden, dass die Abluft nicht über das Objekt streicht. Die Ausblasfläche besteht üblicherweise aus einer großen Anzahl von FFU (Filter Fan Units) mit Ventilator und endständigem Filter. Sie stecken hinter großflächigen Gittern, die eine flächenmäßige Absaugung der Luft ermöglichen. Idealerweise sollten die Oberflächen der Reinraummöbel gelocht sein oder eine Gitterfläche besitzen. Damit kann die Luft ungehindert durchströmen, ohne dass Verwirbelungen entstehen.

Die Kleidungsordnung ist so ausgelegt, dass die Mitarbeiter die Objekte so wenig wie möglich verunreinigen können. Den Reinraum ISO 5 betreten die Mitarbeiter meist über Schleusen in Verbindung mit einem Reinraum ISO-8 oder ISO-7. In der Personenschleuse zwischen ISO 8/7 und ISO 5 muss die Kleidung den höheren Anforderungen angepasst werden, natürlich in ESD-Qualität. Zuerst legt der Mitarbeiter eine Kopfhaube mit Mundschutz an. Ein Overall deckt den Körper komplett ab und steckt in enganliegenden Reinraumstiefeln. Handschuhe werden über die Bündchen des Overalls gezogen.

Trends bei der künftigen Satellitenintegration

Beim Blick in die Zukunft des Reinraums für die Raumfahrt stechen zwei Punkte heraus: zum einen die Veränderung von Anforderungen und zum anderen der Umgang mit den hohen Kosten. Die Kosten sind beträchtlich. Die Integration eines Satelliten mit rund 5 Metern Länge und einem Durchmesser von 2 bis 3 Meter benötigt eine Fläche von rund 300 m². Der Quadratmeterpreis liegt bei einer Nutzungsgebühr von mehreren 1.000 Euro pro Tag. Da die Anlagen rund um die Uhr laufen, wird auch jeder Tag berechnet. Auch bei nicht kommerziellen, staatlich finanzierten Projekten wird immer mehr auf die Kosten geachtet, schließlich sind auch diese Budgets begrenzt. Beim Umgang mit diesen Kosten lässt sich zumindest bei kommerziellen Projekten feststellen, dass die Mieter tendenziell eine günstigere, das heißt zu niedrige Reinraumklasse wählen. Andere wiederum versuchen, die Kosten durch eine kürzere Nutzungsdauer zu verringern. Das Motiv ist verständlich, kann die Integration eines größeren Satelliten doch Millionen verschlingen allein an Reinraumkosten. Die Automatisierung von Abläufen bietet keinen Ausweg, Satellitenintegration bleibt maßgeschneiderte Handarbeit.

Die Reinraumnutzung wird sich – das unterscheidet Raumfahrt-Reinräume nicht von anderen technischen Einsatzbereichen wie in der Mikroelektronik oder Automobilindustrie – noch stärker an den Anforderungen des Produkts orientieren. Diese Anforderungen stehen bei den meisten Satelliten fest und werden sich nicht mehr stark verändern. Anderes gilt bei Satelliten, die optische Systeme mit hoher Auflösung an Bord haben. Sie sollen immer genauer und weiter ins All schauen oder detailreichere Aufnahmen von der Erde machen. Der Mensch sieht derzeit etwa 45 x 109 Lichtjahre in die Tiefe des Universums und damit nur einen Bruchteil der geschätzt 10 Milliarden Billionen Sterne. Ein tieferer Blick erfordert präzisere Technologien.

Ein Beispiel ist das ESA-Zukunftsprojekt ATHENA (Advanced Telescope for High Energy Astrophysics). Dieses Röntgenteleskop der nächsten Generation (erfolgreicher als XMM-Newton) ist bestückt mit einem Wide-Field-Imager und einer X-ray Integral Field Unit. ATHENA hat eine Startmasse von 7.000 kg, einer Brennweite von 12 Metern und einer Gesamthöhe von 15 m und könnte im Jahr 2028 mit der Ariane 6.4 gestartet werden.

Grundvoraussetzung hierfür ist die gesamthafte Fertigung des Satelliten in einem Reinraum der ISO-Klasse ≤ 5. Seine neuartige Spiegelkonstruktion mit einem Durchmesser von 3 m besteht aus 700 Spiegelmodulen mit 1,5 Millionen
Porenöffnungen auf Mikrometer großen Siliziumwafern.

Auch Miniatursatelliten wie die „Würzburger Würfel“ genannten Kleinstsatelliten der UWE-Serie („Universität Würzburg Experimentalsatelliten“) verlangen nach immer höherer Reinraumqualität.

Ihre Kantenlänge beträgt gerade mal 10 Zentimeter. Entsprechend miniaturisiert und somit staubempfindlich sind ihre Mess-, Steuerungs- und Kommunikationssysteme.

Für solche Satelliten ist ein Reinraum der Klasse ISO 5 demnächst nicht mehr ausreichend, sondern es muss in einem der Klasse ISO 4 oder höher integriert werden. Das lässt sich – dafür gibt es bereits Beispiele aus anderen Branchen – kostenbewusst erreichen, in dem nur für einen abgegrenzten kleineren Bereich eine höhere Reinraumklasse eingerichtet wird. In Arbeitsbereichen sogenannter Flowbenches wird die Luft durch HEPA-Filter (High Efficiency Particulate Air Filter) oder ULPA-Filter (Ultra Low Penetration Air Filter) gereinigt, in letzteren mit einer Mindesteffizienz im Abscheidegrad von 99,9995 % bei einer Partikelgröße von 0,1- 0,3 µm.

Selbst das wird bei den Satelliten mit anspruchsvollen optischen Systemen jedoch nicht mehr reichen. Ihre Reinräume nehmen nämlich nicht mehr nur Partikel in den Fokus, sondern auch Moleküle. Das zielt vor allem auf organische Bestandteile in der Luft.

Diese lassen sich nur mit AMC-Filtern herausfischen. Quellen der molekularen Kontamination sind die Bausubstanz des Reinraums, die Ausrüstungsgegenstände und die Baugruppen der Satelliten selbst. Zuallererst zu nennen ist auch hier natürlich die Hauptquelle jeglicher Verschmutzung, auch der molekularen: der Mensch. Wenn ein Mitarbeiter auf das Solarpanel eines Satelliten auch nur draufatmet, ergibt sich eine messbare Leistungsreduktion.

Diese ist dauerhaft, daran ändert noch so häufige Reinigung nichts. Jeder Reinraum der ISO-Klasse 5 wird somit in der Zukunft mit AMC-Filtern für Zu- und Umluft ausgestattet sein. 100 Prozent des Umluft-Volumens muss über die AMC-Filter geleitet werden, um die raumimmanenten Verunreinigungen auszufiltern.

Molekulare Maßstäbe muss auch die Messtechnik anlegen, um solche Quellen rechtzeitig zu erkennen. Bislang kann nach einer mehrtägigen Expositionszeit des Samplers nur eine nachträgliche Analyse durchgeführt werden. Mit einer verbesserten Messmethode, die es allerdings noch nicht gibt, sollte es möglich werden, online zu messen. Nur so lassen sich Quellen unverzüglich beseitigen.

Transport im mobilen, stoßgesicherten Reinraum

Die Integrationsaufgaben sind bei ESA-Projekten meist über ganz Europa verteilt. So liefert beispielsweise eine Nation die Struktur für den Satelliten, eine andere baut die Lageregelungssysteme ein, wieder eine andere ist für die Systemintegration zuständig. Das erfordert eine Vielzahl von Transporten zwischen den Einrichtungen (Facilities). Dabei müssen die Konditionen in den jeweiligen Transportbehältern die gleichen sein wie bei der Integration. Das gilt auch für Untersysteme und Komponenten. Das schwächste Glied in der Kette bestimmt schließlich die Qualität.

Der Transportcontainer ist im Prinzip ein robuster beweglicher Reinraum der Klasse ISO 8/7. Zur Aufrechterhaltung der Temperatur und der Luftkonditionen ist der Container mit einem Modul ausgestattet, das diese Anforderungen sicherstellt. Häufig wird der Container zudem mit trockenem Stickstoff geflutet und unter leichten Überdruck gesetzt.

Da ein Transportcontainer nie 100-prozentig dicht ist, sorgen mitgeführte Druckgasflaschen dafür, dass trotz Leckage rund 20 Pascal Überdruck herrschen.

Der Satellit muss unkompliziert in den Container gelangen können. Dazu wird der Container entweder so ausgeführt, dass das Oberteil abgenommen und der Satellit von oben mit einem Kran eingebracht wird. In dem Fall wird der Satellit an der Ringstruktur befestigt, die das Interface zur Rakete darstellt.

Eine andere Möglichkeit ist die horizontale Einbringung. Dazu wird der Satellit auf eine fahrbare Struktur gesetzt und durch ein Tor in den Container geschoben. Bevor das geschieht, werden grob vorgereinigte Transportcontainer in einer Vorschleuse feingereinigt. Satellitenkontakt hat der Container erst in der Hauptschleuse.

Da sperrige Anbauten wie der Solarkollektor und Antennen meist separat reisen, transportiert der Container den Satellitenrumpf. Form und Größe des Containers sind begrenzt durch das Transportmittel und die Transportwege. Innerhalb Europas wird der Transport meist mit einem mehrachsigen Tieflader ausgeführt.

Dessen Auflieger ist höhenverstellbar, um Unebenheiten des Transportwegs auszugleichen. Schocks werden mit Rekordern während der Fahrt aufgezeichnet und dürfen nur gedämpft auf den Satelliten übertragen werden.

Dazu ist die Containerstruktur von der Tragestruktur des Satelliten über Federelemente entkoppelt. Bei großen Containern sind Durchfahrthöhen unter Brücken und Verkehrshindernisse zu prüfen. Der Transport wird von zusätzlichen Fahrzeugen begleitet und ist nur zu besonderen Tages- oder Nachtzeiten erlaubt. Ein Transportcontainer für den Lufttransport muss die Anforderungen der IATA (International Air Transport Association) erfüllen. Dazu gehört der Einbau einer Berstscheibe in die Containerhülle. Sie sorgt bei plötzlich abfallendem Kabinendruck für einen schnellen Druckausgleich.

Nach Abschluss der Systemintegration wird der Satellit auf Herz und Nieren geprüft. So große Testanlagen stehen nicht an jedem Integrationsstandort zur Verfügung. Die wichtigsten Testanlagen in Europa sind Interspace in Toulouse/Frankreich, das ESTEC Test Centre in Nordwijk / Niederlande und die IABG in Ottobrunn/Bayern.

Die Facilities sind alle mit Reinräumen der ISO-Klasse 8 und mit entsprechenden Schleusen ausgestattet. Der Zugang zu den Testanlagen, in denen Weltraumbedingungen wie Unterdruck, Temperaturszenarien und Vibrationen simuliert werden, erfolgt von einem zentralen Reinraum aus. Auf dem „Shaker“ wird der Satellit dann etwa durchgerüttelt wie beim Raketenstart. Fliegen dabei die Antennen ab, lässt sich die Befestigung noch rechtzeitig verstärken. Um die Qualitätsanforderungen an den Reinraum nicht unnötig zu steigern, sind alle empfindlichen Untersysteme abgedeckt und werden erst in einer sicheren Umgebung geöffnet. Nach erfolgreichem Test werden die Satelliten in den gleichen Transportcontainern meist direkt zum Startplatz verbracht.

Die von der ESA am häufigsten genutzten Startplätze sind das Kosmodrom in Baikonur/Kasachstan, der Weltraumbahnhof in Kourou/Französisch-Guayana (Centre Spatial Guyanais) und das Kennedy Space Center in Florida/USA. Dorthin fliegt der Satellit meist per Frachtflugzeug.

Auch am Startplatz muss die Reinraumqualität aufrechterhalten werden. Eine Möglichkeit ist, dass der Satellit in einem Reinraum in eine separate geschlossene Nutzlastkapsel montiert wird. Das hat den Vorteil, dass der Integrationsraum und die Rakete räumlich voneinander getrennt sind.

Dafür erkauft man sich diese Möglichkeit mit einem zusätzlichen Adapter zum Träger. Eine andere Möglichkeit ist, dass der Satellit direkt auf den Träger montiert wird. Dabei ragt die Interface-Ebene des Trägers zur Nutzlast in einen Reinraum. Der Satellit wird auf den Raketen-Adapter aufgesetzt und mit einem Klemmring mit der Rakete verbunden. Nach Abschluss der Integrationsarbeiten wird die äußere Hülle (Fairing) geschlossen.

Vorher wird kontrolliert, ob sich auf dem Transport nicht doch blinde Passagiere eingeschlichen haben. In Internetforen berichten Techniker von Geckos und Spinnennetzen, die vorm Start noch rechtzeitig von der Mitreise abgehalten werden konnten, sei es durch Stickstoffflutung des Space-Shuttle-Frachtraums oder auch nur mithilfe eines Staubsaugers.

Wenn die äußere Hülle in 100 km Höhe abgesprengt wird, ist die Atmosphäre so dünn, dass keine Kontamination mehr droht. Auch eine Erwärmung der äußeren Struktur des Satelliten durch Luftreibung ist nicht mehr zu befürchten.

Der Weltraum ist kein perfekter Reinraum

So angestrengt die Menschheit darauf achtet, ihre Himmelsboten im sauberen Zustand hochzuschicken, so unfassbar nachlässig geht sie am anderen Ende des Lebenszyklus mit ihren Satelliten um. Ende März 2020 umkreisten 2.700 funktionale Satelliten die Erde, davon allein 1.300 von den USA. Sie befinden sich jedoch in Gesellschaft von rund 17.000 Satelliten, die kaputt sind oder nicht mehr gebraucht werden. Das ESA Space Debris Telescope am Teide-Observatorium auf Teneriffa hat rund 6.500 bis 8.000 Tonnen Weltraumschrott erfasst, insgesamt 16.700 Objekte und 9.464 Bruchstücke mit einer Kantenlänge von 100 Millimeter.

Das ESA-Modell MASTER-2005 (Meteoroid and Space Debris Terrestrial Environment Reference) geht von über 600.000 Objekten mit einem Durchmesser größer als 10 Millimeter in Umlaufbahnen um die Erde aus.

Andere Simulationen rechnen mit 150 Millionen Objekten in Millimetergröße. Das USamerikanische Space Surveillance System behält kontinuierlich Objekte ab 50 Millimeter im Blick. Bei Annäherung an Satelliten, die in Funktion sind, werden Ausweichmanöver fällig. Auch die Internationale Raumstation ISS wird so immer mal wieder zur Kurskorrektur gezwungen.

Die Kollisionsgefahr wird größer und größer. Zwar ist der Weltraum selbst nicht partikelfrei, also kein perfekter Reinraum. Dass viele Partikel unterwegs sind, zeigen Phänomene wie das Nordlicht. Durchschnittlich herrscht im Universum jedoch nur eine Verunreinigung in der Größenordnung von rund 2 Atomen je Kubikmeter – eine Reinheitsklasse jenseits der Möglichkeiten menschengemachter Reinraumtechnik.

Eine mögliche Putzkolonne regt die Fantasie der Raumfahrtindustrie an. Vom Schweizer Weltraumstaubsauger Clear Space One bis zum Zerschießen von Weltraumschrott reicht die Ideenpalette.

Davon wurde noch nicht viel in die Tat umgesetzt, doch darauf kommt es an. Mit welcher Reinigungsmethode auch immer: Es wartet eine Menge Arbeit auf die Raumfahrtnationen, wenn sie im Erdorbit aufräumen wollen. Gelingt es ihnen erst mal ganz profan, vor der eigenen Haustüre zu kehren, wäre das ein stärkeres menschengemachtes Signal ans Universum als das Aussenden von Radiowellen oder interstellaren Satelliten. Es würde zeigen, dass die Menschheit in der Lage ist, sich auf Dauer im Sonnensystem einzurichten – um von hier aus vielleicht später einmal in neue Welten aufzubrechen.