Une cape pour toutes les éventualités

Chez les cyclistes et les randonneurs, on le voit souvent, mais aussi Ötzi, le corps retrouvé dans le glacier, en portait déjà, tout comme celui de la momie de Kayhausen — un Cape : une cape sans manches, aussi légère que possible, pour se protéger du vent et des intempéries. Il y a 5000 ans, il était fait d’herbe, en 364/350 avant J.-C., en peau, aujourd’hui, en matériaux textiles et synthétiques : facile à emballer pour gagner de la place, simple à déployer en cas de besoin et à mettre rapidement.

Les scientifiques du Fraunhofer IPA ont également pensé à un Cape lorsqu’en 2015, ils ont conçu, en collaboration avec une entreprise de l’aérospatiale, une salle blanche mobile. Celle-ci devait protéger une hardware très sensible dans une salle blanche de haute pureté. « L’idée était de créer, dans la salle blanche, grâce à un système mobile et rapidement installable, un environnement de salle blanche autonome », explique Udo Gommel, chef du département Automatisation intelligente et technologie de la pureté. Les partenaires ont développé ensemble une salle blanche mobile permettant aux utilisateurs d’abriter du matériel sur une surface d’environ quatre par quatre mètres en environ une heure. Le « Clean And Protective Environment » était né, appelé brièvement « CAPE® ». Il offre une protection temporaire contre la contamination particulaire et moléculaire, lors d’inspections de produits ou de processus de nettoyage, lors de nouvelles installations dans la salle blanche, ou lors de maintenance routinière et de réparations. Mais d’autres applications sont également envisageables : comme salle d’opération mobile, comme chambre de quarantaine en période de pandémie pour protéger les personnes et l’environnement contre la contamination, comme CAPE® de maintenance dans l’industrie des semi-conducteurs ou comme centre d’essais et de conseil pour un air intérieur sain durant la pandémie de Covid-19.

Air sain

Les systèmes de ventilation et de purification de l’air peuvent-ils protéger contre le Covid-19 ? Comment doivent-ils être conçus ? Et comment doivent être élaborés les concepts d’hygiène et de ventilation pour réduire la transmission virale par aérosols ? Les réponses à ces questions sont fournies par une équipe de recherche des instituts Fraunhofer de Stuttgart IBP, IGB et IPA dans un centre d’essais et de conseil pour un air intérieur sain. Dans le cadre de l’initiative Healthy-Air du Land de Bade-Wurtemberg, ils doivent aider les petites et moyennes entreprises à mettre en œuvre des concepts de ventilation pour empêcher la propagation du virus Covid-19 en milieu professionnel. Mais d’abord, il s’agissait de trouver des locaux adaptés.

À la recherche d’un environnement d’essai

Pour tester et comparer les technologies de purification de l’air, les chercheurs ont conçu deux environnements d’essai représentatifs : une installation de la taille d’une halle industrielle et un petit bureau comme espace de travail. Un défi était déjà de représenter la taille d’une telle installation dans un scénario. Un autre était que la pièce disposait d’un système de ventilation, de climatisation et de nettoyage approprié. De plus, elle devait pouvoir être décontaminée sur le plan biologique-virologique et en ce qui concerne sa concentration en particules. Enfin, un tel environnement d’essai propre devait pouvoir être mis en service en un minimum de temps.

Une telle salle (propre) n’était pas disponible pour les trois instituts. Ce que les experts en salles blanches avaient en réserve, c’était un CAPE® : précisément le système qu’ils avaient initialement développé pour l’aérospatiale. De plus, une salle d’auditorium fermée en raison de la pandémie était inutilisée.

La salle la plus propre du monde

La salle nommée d’après le président du Fraunhofer et directeur de l’institut IPA, Hans-Jürgen Warnecke, se trouve dans le centre de l’institut de la société Fraunhofer à Stuttgart. Elle peut être divisée en deux zones d’environ 95 m² et 92 m² à l’aide de cloisons mobiles, et selon la configuration des sièges, elle peut accueillir entre 78 et 160 personnes. Sur une longueur de presque 14 m, la salle se rétrécit en forme de trapèze vers la scène, avec une largeur passant de 17 m à 10 m. Sa hauteur est d’environ 7 m.

Le CAPE® existant a une superficie de 100 m² et une hauteur de 7 m. Il correspondait parfaitement au scénario d’une salle de fabrication d’une usine et, avec quelques aménagements supplémentaires, s’intégrait précisément dans la salle disponible. La hauteur du système CAPE® a été légèrement ajustée, des panneaux muraux de la salle ont été enlevés, permettant d’optimiser l’utilisation de l’espace. Ensuite, les experts ont installé une cloison amovible. Le sol a été recouvert de dalles de sol pour salles blanches. Après deux jours de montage, l’environnement d’essai était prêt, un système qui peut normalement être mis en service en quelques heures et démonté rapidement.

Les trois quarts de la pièce sont occupés par une sorte de salle de réunion avec des tables et des chaises. Dans le quart séparé de l’environnement d’essai, les chercheurs ont mis en place un second espace simulant un bureau de 25 à 30 m². Dans la salle la plus propre du monde, ils effectueront jusqu’au 31 décembre 2021 des tests d’efficacité des technologies de purification de l’air. De plus, ils examineront dans un document d’expert comment les systèmes de ventilation mobiles et fixes influencent la propagation des aérosols infectieux de SARS-CoV-2.

Mesures avec des aérosols artificiels

Dans le grand environnement d’essai de la salle de réunion, les aérosols sont évalués. Les aérosols sont d’abord simplement des particules, des particules en suspension dans l’air formant un nuage. Pour mesurer la concentration de particules, les chercheurs utilisent des aérosols artificiels. Ils les produisent en vaporisant le di-éthyl-hexyl-sebacat, ou DEHS, un liquide huileux évaporant. Cela crée des aérosols de gouttelettes, très similaires aux aérosols contaminés par le coronavirus, mais inoffensifs pour l’homme et l’environnement. Leur taille de particules se situe majoritairement entre 0,2 et 0,3 μm. De plus, ils flottent de manière similaire aux virus. Les particules DEHS de 0,3 μm s’évaporent complètement en environ 4 heures. Aussi longtemps que les virus du Covid-19 restent en suspension dans la pièce et peuvent être inhalés.

12 compteurs de particules mesurent la concentration de particules en différents endroits et à différentes hauteurs. « Nous voyons très bien où se trouvent les zones contaminées par des particules ou les zones mieux ventilées, qui peuvent également mieux évacuer les virus potentiels », explique Gommel. « Je peux donc indiquer précisément où la contamination particulaire atteint le lieu de travail. »

Dans le second environnement d’essai, le bureau, les experts évaluent la réduction virale. Les virus sont analysés avant et après des mesures de purification de l’air, en ce qui concerne leur activité et leur quantité. « Après les tests, nous pouvons tirer des conclusions sur les ajustements nécessaires des systèmes de ventilation ou sur l’inactivation des virus », indique Gommel. De plus, il est possible d’utiliser la lumière UVC pour décontaminer la pièce. Cela permet de remettre la pièce dans son état d’origine après chaque test.

Dans l’environnement d’essai, les chercheurs mesurent également des produits chimiques secondaires ainsi que la température et l’humidité. En particulier, l’humidité de l’air joue un rôle crucial dans la taille des fractions de particules et, par conséquent, dans la transmission des infections. Plus l’air est sec, plus les fractions de particules sont petites et plus longtemps les particules restent en suspension dans l’air, pouvant être inhalées. Si l’air est plus humide, les particules s’agglomèrent, leurs fractions deviennent plus grosses et elles tombent au sol sous l’effet de la gravité. De plus, dans un air sec, les muqueuses sont plus vulnérables à l’accumulation de virus, ce qui facilite l’infection. Un autre paramètre important lors des tests est la valeur acoustique. En effet, si le niveau sonore d’un appareil est trop élevé, les utilisateurs le coupent.

Comme emporté par le vent

Le principal moyen de maîtriser la contamination aéroportée est la technique de flux d’air. Elle a été développée il y a 60 à 70 ans, classiquement, dans les salles blanches. Ici, on a d’abord instauré un flux d’air horizontal. Les contaminations sont ainsi toujours soufflées loin de la zone de contamination.

« Nous procédons de manière très similaire pour les concepts de purification de l’air. Nous regardons où ces aérosols chargés en virus seraient les moins dangereux pour l’humain, et nous orientons le flux d’air en conséquence pour évacuer la contamination », explique l’expert en salles blanches. L’air est alors dirigé à travers des filtres pour être purifié.

Les purificateurs d’air fonctionnent avec différents systèmes. Certains aspirent l’air par l’arrière et le rejettent à l’avant. L’inconvénient de cette approche est ce qu’on appelle le « Chillfactor ». Certaines personnes ressentent un courant d’air, se refroidissent et se plaignent de gênes.

Une autre approche consiste à faire sortir l’air par un diffuseur, puis à le faire remonter. Cette méthode vise à réduire uniformément la concentration des particules en suspension dans l’air par turbulences dans la pièce. En effet, lors de la parole, l’air chaud monte vers le haut, où l’on peut attendre une concentration plus élevée d’aérosols contaminés. Certains fabricants de purificateurs placent donc leurs appareils au plafond, aspirant l’air par le haut, plutôt qu’au niveau du poste de travail. La vapeur d’eau émise lors de la parole se manifeste aussi sous forme de gouttelettes sur les visières et les écrans de protection. Il en ressort que les aérosols ne se dispersent pas immédiatement vers le haut. La question essentielle reste donc : que peuvent subir les employés, et comment le local doit-il être évalué ? Étant assis à leur bureau, il faut aussi prendre en compte l’environnement de travail. En tout cas, il faut réfléchir précisément à l’emplacement du purificateur d’air.

Les essais commencent

Après le développement et la validation des méthodes, et la mise en place de l’environnement d’essai, les tests débutent. Les premières commandes ont été reçues. Les résultats des tests sont comparés, et une évaluation croisée est fournie aux fabricants. Ceux-ci peuvent voir où leur appareil se situe par rapport à la moyenne. La marque et le modèle de l’appareil sont masqués, seul le fabricant peut voir comment son appareil se classe par rapport aux autres.

CAPE® de maintenance dans l’industrie des semi-conducteurs

L’industrie des semi-conducteurs impose les exigences les plus strictes en matière de liberté de contamination. Ses salles blanches de production doivent également être exemptes de composants chimiques susceptibles de perturber, par exemple, les processus de revêtement. Lors de travaux de maintenance ou de montage, des problèmes similaires à ceux de l’aérospatiale peuvent survenir. Il était donc évident que les experts du IPA présenteraient leur concept aux fabricants de semi-conducteurs. « La tâche difficile était de configurer le système de façon à ce qu’il reste installé dans les zones de production et sur l’équipement pendant les intervalles de maintenance de 1 à 3 jours, et qu’il puisse être rapidement démonté », raconte Gommel.

Une nouvelle stratégie a été nécessaire. Un système CAPE® flexible et déployable a été conçu. Il est installé une seule fois dans le plafond, dispose d’un cadre rigide, puis est abaissé du plafond au-dessus de la machine à entretenir. À l’intérieur, l’air est aspiré pour éviter toute contamination lors de la maintenance.

Le point critique était la technique de flux d’air. Habituellement, l’air est insufflé par le haut et évacué par un plancher perforé. Les systèmes de plafond intégrés y sont entièrement dédiés au filtrage en continu. Mais dans le CAPE®, il faut aspirer plus d’air que celui qui est insufflé par le plafond, afin de créer une dépression et d’empêcher toute contamination extérieure. La paroi du CAPE® joue un rôle clé. Elle doit permettre à l’air de circuler. Cette exigence est assurée par un textile dont la surface d’ouverture, sur le plan de la circulation, est précisément définie.

Les techniciens ont ensuite développé une application spéciale pour ce CAPE® de maintenance, qui peut être positionnée sur l’équipement. « 2ndSCIN » est le nom de cette combinaison sur mesure pour les machines. Elle offre une protection contre la contamination émise et prolonge les cycles de maintenance.

Les industries de l’aérospatiale, des semi-conducteurs, mais aussi de l’optique, de l’alimentation, de la pharmacie et de la médecine ont toutes besoin de salles blanches mobiles et autonomes.

Mais d’autres secteurs manifestent également leur intérêt, comme le montre la commande d’un système CAPE® de 150 m² par un constructeur automobile bavarois.

Un CAPE® peut être acheté en version standard ou en modèle personnalisé. Lors de la conception et de la fabrication de modèles sur mesure, le but d’utilisation, la taille souhaitée et la classe de pureté de l’air requise sont pris en compte.