Recherche hautement sensible sur la terre et sur la mer

Le conteneur pour la salle blanche, qui contient le laboratoire sans métal. (Photo : MK Versuchsanlagen)

Regard dans le conteneur. Sur le côté gauche se trouvent les zones de travail, à droite on voit les supports pour les bouteilles CTD. (Photo : MK Versuchsanlagen)

Une bouteille CTD est transférée du sas d'air pur dans la zone du laboratoire après nettoyage. (Photo : MK Installation d'essai)

Le laboratoire MK-Container sur le Polarstern dispose de quelques installations spécifiques à la haute mer, telles que des barres de maintien pour les scientifiques ou une écoutille de sortie d'urgence. (Photo : MK Installations expérimentales)

Le laboratoire de conteneurs MK à la Polarstern dispose de certaines installations spécifiques à la haute mer, telles que des barres de maintien pour les scientifiques ou une trappe de sortie d'urgence. (Photo : MK Versuchsanlagen)

Regard dans le conteneur. (Photo : MK Installations d'essai)

L'Étoile polaire en action. (Copyright : F. Mehrtens)

L'Étoile polaire en action. (Copyright : F. Mehrtens)

L'Étoile polaire en action. (Copyright : S. Arndt)

L'étoile polaire en action. (Copyright : S. Arndt)

L'étoile polaire en action. (Copyright : M. Hoppmann)

L'Étoile polaire en action. (Copyright : M. Hoppmann)

Une installation mobile de préparation d'échantillons sans métal basée sur 20 conteneurs standard : à l'extérieur, chaque conteneur technique est placé. Dans les trois conteneurs intérieurs, une salle blanche sans métal en forme de U est construite, dans laquelle sont intégrés dix systèmes de traitement sans métal, deux lignes de travail, deux stations de lavage, une salle de pesée et une zone de sas. Le sixième conteneur est raccordé transversalement en tant que conteneur de stockage sous conditions de salle blanche.

Un des sujets les plus importants en science depuis toujours est la pureté des échantillons. Lorsqu'il s'agit de protéger des découvertes ou des échantillons précieux contre la contamination, de nombreux groupes de chercheurs ont recours aux environnements de travail sans métaux de MK Versuchsanlagen und Laborbedarf e.K. de Mücke-Merlau en Hesse centrale. Tout comme aujourd'hui encore les scientifiques à bord du navire de recherche Polarstern, qui sert à l'exploration des mers polaires et à l'approvisionnement des centres de recherche Koldewey-Station en Arctique et Neumayer-Station en Antarctique. Le navire est exploité par l'Institut Alfred Wegener pour la recherche polaire et marine (AWI) à Bremerhaven.

Les développeurs de MK Versuchsanlagen poursuivent depuis longtemps l'idée de construire des laboratoires mobiles en chambre blanche, pouvant être équipés de manière variable en fonction du lieu et de la mission (voir le Annuaire des chambres blanches 2017/2018, p. 50 et suivantes, « Mobilité 4D pour des installations de chambres blanches à usage variable »). La base était donc déjà la mise au point d'une solution conteneurisée pour l'utilisation d'une chambre blanche sans métaux sur le Polarstern.

Des échantillons d'eau provenant de 4000 mètres de profondeur sont analysés

Le Polarstern opère durant les mois d'été austral de novembre à mars en Antarctique et durant l'été boréal dans l'Arctique. À bord, neuf laboratoires fixes sont équipés pour diverses recherches scientifiques. Sur le pont et sous le pont, il y a également de l'espace supplémentaire pour des conteneurs de laboratoire, dont l'équipement permet de réaliser des projets de recherche plus spécifiques. La mission de recherche avec le conteneur de laboratoire MK a débuté le 5 décembre 2021 à Bremerhaven.

Dr. Scarlett Trimborn, responsable du groupe de travail EcoTrace à l'AWI, étudie lors de cette expédition, dans le conteneur de laboratoire MK, comment la disponibilité de métaux traces, notamment le fer, mais aussi le manganèse, le zinc et le cobalt, influence la croissance de petites algues dans la mer du Sud. Pour cela, les échantillons doivent être transportés sans métaux en laboratoire. « Avec une pompe à eau, nous prélevons des échantillons d'eau à différentes profondeurs jusqu'à environ 4000 mètres. Pour cela, nous utilisons des bouteilles CTD équipées de couronnes », explique la chercheuse.

MK Versuchsanlagen a donc été chargé de développer un laboratoire sans métaux, prêt à l'emploi, qui peut être installé en conteneur sur le Polarstern. Le processus clé lors de la collecte des échantillons se produit lorsque la CTD est ramenée à bord. Dr Wolfgang Küstner, chef de projet chez MK Versuchsanlagen, explique la procédure : « Le rinçage des bouteilles CTD, qui contiennent l'eau de mer précieuse, avec de l'eau ultrapure, sera effectué pour la première fois à l'aide d'une station de lavage. Pour cela, on utilise de l'eau ultrapure provenant de l'installation de traitement d'eau intégrée dans le conteneur de chambre blanche. Une fois tous les capteurs et bouteilles CTD complètement nettoyés, il est possible de prélever les premiers échantillons d'eau. Tout cela se déroule dans le conteneur de laboratoire spécialement conçu par MK Versuchsanlagen. Toutes les bouteilles CTD sont introduites dans le conteneur via une sas d'air pur. Cette ligne de laboratoire sert à la collecte d'eau « sans contamination » à partir des bouteilles CTD. Pour des applications particulières, comme la filtration, la collecte d'échantillons est assistée par un système d'air comprimé contrôlable individuellement. »

Outre l'analyse de l'eau, les lignes de laboratoire MK dans le conteneur sont également adaptées pour une multitude d'autres analyses, en tant que chambre blanche multifonctionnelle sans métaux. Par exemple, les supports de bouteilles CTD peuvent être démontés et remplacés par des systèmes de rayonnages. La sas peut continuer à servir de sas de matériel à air pur sans rinçage.

Connexion directe d’un conteneur de chambre blanche prêt à l’emploi au système de gestion du bâtiment

Sur terre également, MK Versuchsanlagen réalise déjà les premiers laboratoires mobiles en chambre blanche pour diverses institutions de recherche. Ces chambres blanches sans métaux, livrées clés en main, sont directement reliées aux systèmes de gestion du bâtiment existants, avec murs, équipements, ventilation, alimentation en médias et contrôle intégrés.

Actuellement, MK Versuchsanlagen met en œuvre un projet composé de six conteneurs. Deux sont destinés à la technique, les quatre autres forment la chambre blanche. La conception prend en compte la durabilité, en prévoyant que les espaces soient autonomes, permettant une division en deux solutions séparées de trois conteneurs chacune. Ce laboratoire transitoire est prévu sur la base de 20 conteneurs standards de 6,058 mètres de long sur 2,438 mètres de large, mais avec une hauteur de 3,11 mètres au lieu des 2,59 mètres habituellement utilisés. Cela permet d’installer un plafond intermédiaire pour la technique et les conduits de ventilation.

Ce laboratoire conteneurisé sera utilisé pour étudier la composition isotopique de roches provenant, par exemple, de volcans, de mines, de météorites, ainsi que de la Lune ou de Mars. La précision dans la mesure des plus petites différences de concentration est essentielle, et comme pour les échantillons d’eau de l’expédition Polarstern, elles ne doivent pas être altérées par une contamination croisée lors de la préparation. La construction sans métaux du laboratoire et des stations de travail garantit des conditions que les laboratoires traditionnels ne peuvent pas toujours offrir. La méthode de dissolution des échantillons à l’aide d’acides très concentrés, qui attaque les surfaces métalliques, peut libérer des particules métalliques dans l’air, se déposer sur les surfaces d’échantillons, et rendre ces derniers inutilisables. Ce problème est évité dans une installation de préparation d’échantillons sans métaux, résistante aux acides.

Par ailleurs, la sécurité du personnel est également une priorité. L’électronique de régulation est intégrée dans une chaîne de sécurité qui surveille en permanence des paramètres tels que la température de la salle et le débit d’air extrait. En cas de dépassement des seuils ou de déclenchement d’alarme, une alerte est envoyée et, selon la chaîne de sécurité configurée, certains consommateurs critiques sont coupés de façon permanente.

Économiser sur les coûts d’exploitation grâce à une gestion intelligente des espaces et des installations

Face à la hausse des coûts d’exploitation, la gestion intelligente et efficace des espaces et des installations devient un enjeu majeur pour les fabricants et exploitants d’installations. La régulation de MK Versuchsanlagen ajuste dynamiquement la gestion de l’air dans la pièce entière et dans chaque installation séparément. Cela garantit une ventilation efficace pour une pureté maximale au poste de travail. Par exemple, si la détection d’un capteur indique une inactivité à une station de travail, le volet frontal se ferme et la quantité d’air est réduite en conséquence. Des économies d’énergie pouvant atteindre 50 % sont possibles.

Des interfaces supplémentaires permettent de transmettre des données et des alertes des systèmes de sécurité supérieurs, comme les systèmes d’alerte du bâtiment, les détecteurs de fumée ou d’incendie, à l’utilisateur, et de les intégrer dans la chaîne de sécurité. Lorsqu’ils sont connectés à un réseau, les utilisateurs peuvent surveiller la gestion des espaces et des installations via un accès VNC. En connectant le contrôle MK à Internet, il est également possible d’accéder à distance pour diagnostiquer ou mettre à jour le logiciel, sans que la présence d’un technicien sur place ne soit nécessaire. L’accès se fait via une connexion VPN sécurisée.

Comme le montrent ces deux exemples, MK Versuchsanlagen offre avec ses laboratoires conteneurisés clés en main une possibilité aussi bien pour la recherche que pour l’industrie de réaliser de grandes choses dans un espace réduit. L’idée d’installer des laboratoires sans métaux, mobiles et adaptés individuellement dans des conteneurs, n’a pas de limite. Que ce soit sur terre, sur mer ou dans les airs, les possibilités d’utilisation semblent infinies.