Egy esetre minden esetre

Autóversenyzőknél és túrázóknál gyakran látni, de Ótzi, a gleccserholttest már viselte, és a Kayhausen mocsári holttestnél is megtalálták – egy Cape-et: egy rövid, lehetőleg könnyű köpenyt, ami véd a szél és az időjárás ellen. Több mint 5000 évvel ezelőtt fűből készült, Kr.e. 364/350-ben prémből, ma textil- és szintetikus anyagokból: helytakarékosan csomagolható, szükség szerint könnyen kibontva és gyorsan felvehető.

A Cape-re gondoltak a Fraunhofer IPA tudósai is, amikor 2015-ben egy légiközlekedési és űrkutatási vállalattal közösen egy mobil tisztatér koncepcióját dolgozták ki. Ez a rendkívül érzékeny hardverek további védelmét szolgálta egy magas tisztasági osztályú tisztatérben. „Az ötlet az volt, hogy egy mobil, gyorsan telepíthető, önálló rendszerrel saját tisztatérkörnyezetet hozzunk létre”, mondja Udo Gommel, az Intelligens Automatizálás és Tisztaságtechnika osztályvezetője. A kooperációs partnerek közösen fejlesztettek ki egy mobil tisztatér, amely lehetővé teszi a felhasználóknak, hogy körülbelül négy méter x négy méter területen egy órán belül berendezést helyezzenek el. A „Clean And Protective Environment” (Tiszta és Védelmező Környezet) megszületett, röviden „CAPE®”-nek nevezték. Ideiglenes védelmet nyújt részecske- és molekuláris szennyeződések ellen, termékvizsgálatok vagy tisztítási folyamatok során, miközben új telepítéseket végeznek a tisztatérben, vagy rutin karbantartás és javítások során. De más alkalmazások is elképzelhetők: például mobil műtőként, karanténhelyiségként járványok idején, hogy megvédje az embereket és a környezetet a szennyeződésektől, vagy karbantartási célokra a félvezetőiparban, illetve teszt- és tanácsadóközpontként az egészséges beltéri levegőért a koronavírus-járvány idején.

Egészséges levegő

Védhetnek-e a szellőző- és levegőtisztító rendszerek a Covid-19 ellen? Hogyan kell ezeket tervezni? És hogyan kell kialakítani a higiéniai és szellőztetési koncepciókat, hogy csökkentsék a vírusok terjedését aeroszolokon keresztül? Ezekre a kérdésekre választ ad egy kutatócsoport a stuttgarti Fraunhofer IBP, IGB és IPA intézetektől egy teszt- és tanácsadóközpontban az egészséges beltéri levegőért. Baden-Württemberg tartomány „Healthy-Air” kezdeményezésének keretében segítenek a kis- és középvállalkozásoknak a szellőztetési koncepciók megvalósításában, hogy megakadályozzák a koronavírus terjedését a munkahelyeken. Első lépésként azonban az volt a feladat, hogy megfelelő helyiségeket találjanak.

Kutatási környezet keresése

Az aeroszolok teszteléséhez és összehasonlításához a tudósok két reprezentatív tesztkörnyezetet terveztek: egy gyárépület méretű üzemet és egy kis irodát, mint munkahelyet. Az egyik kihívás az volt, hogy egy ilyen üzem méretét egy szcenárióban ábrázolják. Egy másik, hogy a helyiség rendelkezzen megfelelő szellőztetési, klíma- és tisztítási technikával. Emellett biológiai-virológiai szempontból is dekontaminálni kellett, valamint a részecskekoncentrációt is kontrollálni. Végül pedig egy ilyen tiszta tesztkörnyezetet a lehető legrövidebb idő alatt kellett üzembe helyezni.

Az ilyen (tisztított) helyiség nem állt a három intézet rendelkezésére. Ami azonban a rendelkezésükre állt, az egy CAPE®: pontosabban az a rendszer, amit eredetileg a légi- és űrtechnikai ipar számára fejlesztettek ki. Emellett egy pandémia miatt bezárt előadóterem is kihasználatlanul állt.

A világ legpuhább előadóterme

A Fraunhofer elnöke és az IPA intézetvezető Hans-Jürgen Warnecke nevét viselő terem a Fraunhofer Társaság stuttgarti intézeti központjában található. A tolóajtókkal két részre osztható, kb. 95 m² és kb. 92 m² területen, és a székek elrendezésétől függően 78-tól 160 fő befogadására alkalmas. A terem közel 14 méteres oldalánál trapezoid alakban nyúlik el a színpad felé, szélessége 17 m, mélysége 10 m. Magassága kb. 7 m.

A meglévő CAPE® 100 m²-es területen és 7 m magasban helyezkedett el. Ez ideálisan megfelelt egy gyárépület munkahelyének szcenáriójának, és néhány plusz átalakítással pontosan illeszkedett a rendelkezésre álló előadói teremhez. A CAPE® rendszer magasságát kissé módosították, a terem oldalfalait eltávolították, így a hely kihasználtsága optimális lett. Ezután a szakértők egy mozgatható válaszfalat is beépítettek. A padlót tisztatéri padlólapokkal burkolták. Két nap alatt felépült a tesztkörnyezet, amelyet rendszerint néhány órán belül üzembe lehet helyezni, és rövid idő alatt lebontani.

Háromnegyed részt egy tárgyalóhelyiség foglal el asztalokkal és székekkel. A tesztkörnyezet egyik elkülönített negyedében a Fraunhofer tudósai egy második beállítást hoztak létre, ami kb. 25–30 m²-es irodát modellez. A világ legpuhább előadótermében a tudósok egészen 2021. december 31-ig végeznek légtisztítási technológiák hatékonysági tesztjeit. Emellett szakértői dokumentumban vizsgálják, hogy a mobil és fix szellőztető berendezések hogyan befolyásolják a fertőző SARS-CoV-2 aeroszolok terjedését.

Mérések mesterséges aeroszolokkal

A nagy tesztkörnyezetben, a tárgyalóban az aeroszolokat értékelik. Az aeroszolok egyszerűen részecskék, levegőben szálló apró részecskék, amelyek felhőt alkotnak. A részecskeszám méréséhez a tudósok mesterséges aeroszolokat használnak. Ezeket úgy állítják elő, hogy di-ethyl-hexil-sebacátot, röviden DEHS-t, egy párolgó, olajos folyadékot „párologtatnak”. Így csepp aeroszolok keletkeznek, amelyek nagyon hasonlítanak a koronavírusos aeroszolokra, de emberre és környezetre ártalmatlanok. Részecskéjük főként 0,2–0,3 μm közötti. Emellett hasonlóan lebegnek, mint a vírusok. A 0,3 μm-es DEHS-részecskék körülbelül 4 óra múlva teljesen elpárolognak, így a vírusokhoz hasonlóan hosszabb ideig lebeghetnek a térben és belélegezhetők.

12 részecskeszámláló mér különböző helyeken és magasságokban részecskeszámot. „Jól látjuk, hol vannak a részecskekontaminált területek, vagy hol van jobb légáramlás, és így hatékonyabban szállítják el a potenciális vírusokat”, magyarázza Gommel. „Így pontosan tudom, hol érkezik a részecskekontamináció a munkahelyen.”

A második tesztkörnyezetben, az irodában, a szakértők a víruseltávolítást értékelik. A vírusokat a légtisztítási intézkedések előtt és után elemzik azok aktivitását és mennyiségét. „A tesztek után következtetéseket vonhatunk le a szellőztető rendszerek szükséges módosításaira vagy inaktiválási lépésekre”, mondja Gommel. Emellett lehetőség van UVC-sugárzással a tér dekontaminálására is, hogy minden teszt után visszaállítsák az eredeti állapotot.

A tesztkörnyezetben a tudósok mérnek továbbá kémiai melléktermékeket, valamint hőmérsékletet és páratartalmat is. Különösen a páratartalom befolyásolja a részecskék méretét és így a fertőzés kockázatát. Minél szárazabb a levegő, annál kisebbek a részecskék, és annál tovább lebegnek a levegőben, belélegezhetők. Nedvesebb levegő esetén a részecskék összetapadnak, nagyobbak lesznek, és a gravitáció hatására leülepednek. Emellett száraz levegőben a nyálkahártyák érzékenyebbek a vírusok megtelepedésére, így könnyebben alakulhat ki fertőzés. A teszteknél fontos szerepet játszanak az akusztikai értékek is, mert ha egy készülék zajszintje túl magas, a felhasználók kikapcsolják a légtisztítót.

Eltűnni, mint a szél

A levegőben szálló szennyeződések kezelésének fő módszere a légáramlás technikája. Ez körülbelül 60-70 éve klasszikusan a tisztaterekben alakult ki. Itt először vízszintes légáramlást hoztak létre, amely a szennyeződéseket mindig a szennyezés irányából eltereli.

„Hasonló módon járunk el a légkezelési koncepciókban is. Megvizsgáljuk, hol vannak a vírusos aeroszolok a legkevésbé kritikus helyeken az ember számára, és ennek megfelelően irányítjuk a légáramlást, hogy a szennyeződést eltereljük”, mondja a tisztatér szakértő. A levegőt szűrőközegeken keresztül vezetik és tisztítják.

A levegőtisztítók különböző rendszerekkel működnek. Egyesek hátul szívják be a levegőt, és elöl kifújják. Ennek hátránya a ún. Chillfactor, mert az egyéni személyek érzékenyek a huzatra, és kellemetlenül érzik magukat, ha a levegő hűl.

Egy másik koncepció szerint a légtisztítók diffúzoron keresztül szórják szét a levegőt, és felfelé irányítják. Ez a módszer a térben keletkező turbulencián keresztül várhatóan egyenletesebb szennyeződéscsökkenést eredményez, azaz csökkenti a levegőben szálló részecskék koncentrációját. Mivel például beszéd közben a felmelegedett levegő felfelé száll, és több vírusos aeroszol várható a fejtető körül, egyes gyártók a mennyezeten helyezik el a szűrőket, és onnan szívják el a levegőt, nem pedig a munkahely magasságából. A nedves beszéd azonban látható a kilövellő cseppek formájában a védőmaszkokon és védőüvegeken. Ez mutatja, hogy az aeroszolok nem azonnal diffundálnak felfelé, hanem bizonyos szinten szétterjednek. A lényeges kérdés így az: mit érhet el a dolgozókkal a légtechnika? Mivel az emberek az íróasztalaiknál ülnek, a munkaterületet is értékelni kell. Mindenképpen fontos, hogy a légkezelő helyét pontosan megtervezzék.

A tesztek megkezdődnek

A módszertan fejlesztése, validálása és a tesztkörnyezet kiépítése után megkezdődnek a vizsgálatok. Első megbízásokat már kaptak. A teszteredményeket összehasonlítják, és egy ún. keresztértékelést készítenek a gyártóknak. Ezen látható, hol helyezkedik el az eszköz a középértékhez képest. Az eszköz gyártója és típusa szürke színnel van jelölve, csak a gyártó látja, hogyan szerepel a rangsorban.

Karbantartási CAPE® a félvezetőiparban

A félvezetőipar a legmagasabb követelményeket támasztja a szennyeződésmentesség terén. Gyártási tisztaterei mentesek kell legyenek vegyi anyagoktól, amelyek például zavarhatják a bevonási folyamatokat. Karbantartás vagy szerelés közben hasonló problémák merülnek fel, mint a légi- és űrtechnikai iparban. Ezért csak idő kérdése volt, mikor mutatják be a szakértők a félvezetőgyártóknak ezt a koncepciót. „A nehéz feladat az volt, hogy a rendszer úgy legyen konfigurálva, hogy karbantartási időszakokban 1-3 napig a gyártási területeken és berendezéseken maradjon, majd rövid idő alatt lebontásra kerüljön. Az egyik kihívás a szűk helyek kihasználtsága volt. Minden centimétert kihasználnak a gépekhez. Egy, a légi- és űrtechnikai ipar számára fejlesztett CAPE® rendszer azonban túl nagy helyet foglal”, meséli Gommel.

Új stratégiára volt szükség. Egy felhúzható, rugalmas CAPE® rendszer született. Ez egyszeri telepítést igényel a mennyezeten, merevítő szerkezettel rendelkezik – majd a mennyezetről a karbantartandó gépre engedik le. A belső térben a levegőt beszívják, így a karbantartás során nem kerülhet szennyeződés a környezetbe.

A kulcskérdés a légáramlási technika volt. Általában a levegőt felül fújják be, és perforált dupla padlón keresztül vezetik el. A beépített mennyezeti rendszerek 100%-ban lefedik a mennyezetet szűrőelemekkel, amelyek folyamatos működésre vannak tervezve. A CAPE® esetében azonban a levegő térfogatához képest több levegőt kell elszívni a mennyezetről, hogy vákuumot hozzanak létre, így megakadályozva a szennyeződés kijutását. Ennek kulcsa a CAPE® falazata, amelyen keresztül a levegő beáramolhat. Ezt egy textil biztosítja, melynek légtechnikai nyitott felülete pontosan meghatározott.

Ebből a karbantartási CAPE®-ból a mérnökök kifejlesztettek egy speciális alkalmazást, ami a berendezésre ráilleszthető. „2ndSCIN” néven fut, ez egy egyedi gépi védőruha, amely véd a kibocsátott szennyeződésektől és meghosszabbítja a karbantartási ciklusokat.

A mobil és önálló tisztaterek iránti igény nemcsak a légi- és félvezetőiparban van, hanem optika-, élelmiszer-, gyógyszer- és orvostechnikai ágazatokban is.

Más iparágak is érdeklődnek, például egy bajor autóalkatrész-gyártó által megrendelt 150 m²-es CAPE® rendszer is ezt mutatja.

Egy CAPE® rendszer lehet standard termék vagy egyedi, ügyfélre szabott modell is. A tervezés és gyártás során figyelembe veszik a felhasználási célt, a kívánt méretet és a szükséges tisztasági osztályt.