Klobouk pro všechny případy

U cyklistů a turistů to často vidíte, ale také Ötzi, ledovcové tělo, ho již nosil, a u rašelinného těla z Kayhausenu bylo také nalezeno – plášť: bezruká, co nejlehčí rouška na ochranu proti větru a počasí. Před 5000 lety byl vyroben z trávy, 364/350 př. n. l. z kožešiny, dnes z textilních a syntetických materiálů: skladný na zabalení, při potřeby snadno rozvinout a rychle nasadit.

Na plášť mysleli také vědci z Fraunhofer IPA, když v roce 2015 ve spolupráci s leteckou a kosmickou firmou navrhli mobilní čistý prostor. Ten měl chránit velmi citlivé hardware v prostředí s vysokou čistotou. »Myšlenka byla vytvořit v čistém prostoru díky mobilnímu a rychle instalovatelnému, autonomnímu systému vlastní prostředí s vysokou čistotou,« říká Udo Gommel, vedoucí oddělení Inteligentní automatizace a techniky čistoty. Partneři společně vyvinuli mobilní čistý prostor, který umožňuje uživatelům během asi hodiny zabudovat hardware na ploše přibližně čtyři krát čtyři metrů. Tak vzniklo „Clean And Protective Environment“, zkráceně „CAPE®“. Nabízí dočasnou ochranu před částicovou a molekulární kontaminací při inspekcích produktů nebo čištění, při nových instalacích v čistém prostoru nebo při rutinní údržbě a opravách. Možné jsou však i jiné aplikace: jako mobilní operační sál, jako karanténní místnost při pandemiích, k ochraně lidí a životního prostředí před kontaminací, jako údržbový CAPE® v polovodičovém průmyslu nebo jako testovací a poradenské centrum pro zdravé vnitřní ovzduší během pandemie Covid-19.

Zdravé ovzduší

Mohou ventilační a čisticí zařízení chránit před Covid-19? Jak musí být navržena? A jak musí být navrženy hygienické a ventilační koncepty, aby se snížila přenos virů aerosoly? Odpovědi na tyto otázky poskytuje výzkumný tým z institucí Fraunhofer IBP, IGB a IPA ve Stuttgartu v testovacím a poradenském centru pro zdravé vnitřní ovzduší. V rámci iniciativy Healthy-Air spolku Baden-Württemberg mají pomáhat malým a středním podnikům při zavádění ventilačních konceptů, aby zabránily šíření koronaviru v provozu. Nejprve však bylo třeba najít vhodné prostory.

Hledání testovacího prostředí

Pro testování a srovnání technologií čištění vzduchu navrhli vědci dvě reprezentativní testovací prostředí: provozní prostor velikosti tovární haly a malou kancelář jako pracovní místo. Výzvou bylo již samotné zobrazení velikosti takového provozního prostoru v scénáři. Další bylo, že místnost měla odpovídající ventilační, klimatizační a čisticí techniku. Navíc musela být biologicky-virologicky a také z hlediska koncentrace částic dekontaminována. A nakonec měla taková čistá zkušební místnost být uvedena do provozu co nejrychleji.

Takový (čistý) prostor nebyl třem institucím k dispozici. Co však měli na skladě, byl CAPE®: právě systém, který původně vyvinuli pro letectví a kosmonautiku. Navíc byl nevyužitý posluchový sál, uzavřený kvůli pandemii.

Nečistější posluchový sál na světě

Sál pojmenovaný po prezidentovi Fraunhofer a vedoucím IPA, Hans-Jürgenu Warneckovi, se nachází v institucionálním centru Fraunhofer-Gesellschaft ve Stuttgartu. Lze jej rozdělit posuvnými stěnami na dvě části o přibližné ploše 95 m² a 92 m², a podle uspořádání sedadel pojme od 78 do 160 návštěvníků. Po téměř 14 metrech dlouhém bočním okraji se sál směrem k jevišti zužuje do tvaru lichoběžníku s šířkou od 17 m na 10 m. Výška je přibližně 7 m.

Původní CAPE® má rozlohu 100 m² a výšku 7 m. Ideálně odpovídal scénáři pracovního prostoru tovární haly a s několika dodatečnými úpravami přesně zapadl do dostupného posluchárenského sálu. Výška systému CAPE® byla mírně upravena, odstraněny byly stěnové panely posluchárny, čímž bylo využito prostor na maximum. Poté odborníci vložili odnímatelnou přepážku. Podlahu pokryli čistícími podlahovými deskami. Po dvou dnech montáže byla testovací místnost připravena, její systém se běžně spouští během několika hodin a rychle zase demontuje.

Tři čtvrtiny prostoru zabírá jakási zasedací místnost s stoly a židlemi. V oddělené čtvrtině testovacího prostředí vybudovali vědci z Fraunhofer další prostředí, které na 25–30 m² simuluje kancelář. V nejčistším posluchárenském sále na světě provádí vědci do 31. prosince 2021 testy účinnosti technologií čištění vzduchu. Dále zkoumají v odborném dokumentu, jak ovlivňují mobilní a pevná ventilační zařízení šíření infekčních aerosólů SARS-CoV-2.

Měření s umělými aerosoly

V rozsáhlém testovacím prostředí zasedací místnosti jsou aerosoly hodnoceny. Aerosoly jsou jednoduše řečeno částice, vzduchem přenášené částice, které tvoří mrak. K měření koncentrace částic používají vědci umělé aerosoly. Ty získávají tím, že odpaří diethylhexyl sebacát, zkráceně DEHS, odpařující se olejovou kapalinu. Tím vznikají kapénkové aerosoly, které velmi připomínají aerosoly kontaminované koronaviry, ale jsou pro člověka i životní prostředí neškodné. Jejich velikost částic je převážně v rozmezí 0,2 až 0,3 μm. Navíc plavou podobně jako viry. 0,3μm DEHS částice se po zhruba 4 hodinách odpaří beze zbytku. Tak dlouho mohou viry v místnosti plavat a být vdechnuty.

12 čítačů částic měří na různých místech a v různých výškách koncentraci částic. »Vidíme krásně, kde mám oblasti s kontaminací částicemi, nebo oblasti, které jsou lépe zásobovány prouděním a tudíž i lépe odstraňují potenciální viry,« vysvětluje Gommel. »Mohu tak velmi přesně říct, kde se na pracovišti dostávají jaké kontaminace částic.«

V druhém testovacím prostředí, kanceláři, vědci hodnotí odstranění virů. Viry jsou před a po opatřeních na čištění vzduchu analyzovány z hlediska jejich aktivity a množství. »Po testech můžeme učinit závěry o nutných úpravách ventilačních systémů nebo inaktivaci,« říká Gommel. Dále je možná dekontaminace prostoru pomocí UV-C záření. To se provádí, aby se prostor po každém testu vrátil do původního stavu.

Ve zkušebním prostředí měří vědci také chemické vedlejší produkty, teplotu a vlhkost. Zejména vlhkost vzduchu hraje klíčovou roli ve velikosti částic a tím i v šíření infekce. Čím je vzduch sušší, tím jsou částice menší a déle zůstávají ve vzduchu, což zvyšuje možnost vdechnutí. Pokud je vzduch vlhčí, částice se shlukují, jejich frakce se zvětšují a padají k zemi gravitační silou. Navíc je při suchém vzduchu sliznice náchylnější k virům, což usnadňuje infekci. Další důležitou roli při testech hrají akustické hodnoty. Pokud je hluk zařízení příliš vysoký, uživatelé jej vypnou.

Jako by se rozplynulo

Hlavním prostředkem pro zvládnutí vzdušné kontaminace je proudění vzduchu. Pochází zhruba před 60 až 70 lety z klasických čistých prostor. Nejprve se zde vytvořilo horizontální proudění vzduchu. Kontaminace jsou tak vždy odfukovány pryč od znečištění.

»Podobně postupujeme i u konceptů čištění vzduchu. Sledujeme, kde jsou viry nejméně kritické pro člověka, a řídíme proudění vzduchu tak, aby kontaminace odfoukl,« říká expert na čisté prostory. Vzduch je veden přes filtrační materiály a čištěn.

Čističky vzduchu pracují s různými systémy. Některé nasávají vzduch zezadu a foukají dopředu. Nevýhodou je takzvaný chladicí efekt. Někteří lidé pociťují průvan, ochlazují se a stěžují si na nepohodlí.

Jiný koncept používají čističky, které vzduch rozptylují přes difuzor a vedou ho vzhůru. Tento přístup předpokládá rovnoměrné snížení koncentrace částic ve vzduchu díky víření v místnosti. Protože například při mluvení teplý vzduch stoupá vzhůru a zde se očekává více aerosólů s viry, někteří výrobci čističek umisťují zařízení na strop a odsávají vzduch shora, nikoli z úrovně pracoviště. Vlhké řeči se však projevují ve formě emitovaných kapének na štítech a ochranných sklech. Z toho je patrné, že aerosoly nejsou ve fázi, kdy by se rovnoměrně rozptýlily nahoru. Zůstává tedy klíčová otázka: co může na zaměstnance působit a ovlivňovat je? Protože sedí u svých stolů, měl by být také posouzen pracovní prostor. V každém případě je třeba pečlivě zvážit umístění čističky vzduchu.

Testy začínají

Po vývoji a validaci metod a po vybudování testovacího prostředí začínají testy. Přišly první objednávky. Výsledky testů jsou porovnány a poskytnuta tzv. křížová analýza výrobcům. Ti tak vidí, jak se jejich zařízení umístilo v porovnání s průměrem. Název výrobce a typ zařízení jsou šedě zvýrazněny, pouze výrobce vidí, jak si jeho zařízení vede v žebříčku ve srovnání s ostatními.

Údržbové CAPE® v polovodičovém průmyslu

Polovodičový průmysl má nejvyšší požadavky na bezkontaminaci. Jeho čisté výrobní prostory musí být také bez chemických složek, které by mohly například narušit výrobní procesy. Při údržbě nebo montáži vznikají podobné problémy jako v letectví a kosmonautice. Proto bylo jen otázkou času, kdy experti z IPA představí tento koncept výrobcům polovodičů. »Těžkým úkolem bylo konfigurovat systém tak, aby během údržbových intervalů zůstal instalován v výrobních prostorách a zařízeních na 1 až 3 dny a mohl být krátkodobě zase demontován. Jednou z výzev jsou velmi omezené prostorové podmínky. Každý centimetr je využit pro stroje. Systém CAPE®, vyvinutý pro letectví a kosmonautiku, by zde zabral příliš mnoho místa,« říká Gommel.

Musela vzniknout nová strategie. Vyvinuli flexibilní systém CAPE®, který se skládá a je instalován na stropě jednou, má výztužnou konstrukci – a poté je spuštěn shora nad opravený stroj. Vnitřní vzduch je odsáván, aby při údržbě nemohlo dojít ke kontaminaci ven.

Klíčovým prvkem je proudění vzduchu. Obvykle se vzduch vhání shora a odvádí přes perforovanou podlahu. Stropní systémy, které jsou do zařízení zabudovány, pokrývají 100 % stropu filtračními prvky pro nepřetržitý provoz. V systému CAPE® však musí být odsáto více vzduchu, než je vháněno shora, aby vznikl podtlak a zabránilo se vniknutí kontaminace zvenčí. Klíčem je zde stěna systému CAPE®, která musí umožnit přísun vzduchu. Tato požadavek splňuje textilní materiál s přesně definovanou průtokovou plochou.

Z tohoto údržbového CAPE® vyvinuli technici speciální aplikaci, kterou lze nasadit na zařízení. »2ndSCIN« je na míru šitý oblek pro stroje. Nabízí ochranu před emitovanou kontaminací a prodlužuje údržbové intervaly.

Požadavek na mobilní a autonomní čisté prostory mají kromě letectví a polovodičového průmyslu také optický, potravinářský, farmaceutický a lékařský průmysl.

Další odvětví projevují zájem, například objednávka 150 m² velkého systému CAPE® od bavorského dodavatele automobilových dílů.

CAPE® lze zakoupit jak jako standardní produkt, tak jako zakázkový model. Při návrhu a výrobě zakázkových modelů se zohledňuje konkrétní použití, požadovaná velikost a požadovaná třída čistoty vzduchu.