Ricerca altamente sensibile sulla terra e sul mare

Il contenitore per camere bianche, che include il laboratorio a camera bianca privo di metalli. (Foto: MK Versuchsanlagen)

Sguardo nel contenitore. Sul lato sinistro si trovano le aree di lavoro, a destra sono visibili le staffe per le bottiglie CTD. (Foto: MK Versuchsanlagen)

Una bottiglia CTD viene trasferita dall'aria pura pulita nell'area del laboratorio dopo la pulizia. (Foto: MK impianti di prova)

Il laboratorio MK-Container sulla Polarstern dispone di alcune strutture specifiche per il mare aperto, come maniglie di sostegno per gli scienziati o un'uscita di emergenza. (Foto: MK Versuchsanlagen)

Il laboratorio container MK sulla Polarstern è dotato di alcune strutture specifiche per il mare aperto, come maniglie di sostegno per gli scienziati o un'uscita di emergenza. (Foto: MK impianti sperimentali)

Sguardo nel contenitore. (Foto: MK impianti di prova)

La Stella Polare in azione. (Copyright: F. Mehrtens)

La Stella Polare in azione. (Copyright: F. Mehrtens)

La Stella Polare in azione. (Copyright: S. Arndt)

La Stella Polare in azione. (Copyright: S. Arndt)

La Stella Polare in azione. (Copyright: M. Hoppmann)

La Stella Polare in azione. (Copyright: M. Hoppmann)

Un impianto mobile di preparazione dei campioni senza metalli basato su 20 container standard da 20 piedi: all'esterno sono posizionati i container tecnici. Nei tre container interni viene allestito un ambiente sterile senza metalli a forma di U, in cui saranno integrati dieci impianti MK senza metalli, due linee di lavoro, due lavatrici, una camera di pesatura e una camera di passaggio. Il sesto container verrà collegato trasversalmente come magazzino sotto condizioni di ambiente sterile.

Uno dei temi più importanti nella scienza da sempre è la purezza dei campioni. Quando si tratta di proteggere reperti o campioni preziosi da contaminazioni, molti gruppi di ricerca preferiscono ricorrere agli ambienti di lavoro privi di metalli di MK Versuchsanlagen e Laborbedarf e.K. di Mücke-Merlau in Assia Centrale. Così come ora fanno anche le scienziate e gli scienziati a bordo della nave di ricerca Polarstern, che serve a esplorare i mari polari e a fornire supporto alle strutture di ricerca Koldewey-Station nell’Artico e Neumayer-Station in Antartide. La nave è gestita dall’Istituto Alfred Wegener per la Ricerca Polare e Marina (AWI) di Bremerhaven.

Da tempo gli sviluppatori di MK Versuchsanlagen perseguono l’idea di costruire laboratori mobili a tenuta di polvere, che possano essere equipaggiati variabilmente a seconda del luogo e dello scopo d’uso (vedi Reinraum-Jahrbuch 2017/2018, p. 50ss., “Mobilità 4D in sistemi di camere bianche variabili”). La base era già costituita dallo sviluppo di una soluzione container per l’impiego di una camera bianca priva di metalli sulla Polarstern.

Campioni d’acqua a 4000 metri di profondità vengono analizzati

La Polarstern si sposta durante i mesi estivi australi da novembre a marzo in Antartide e durante l’estate settentrionale nell’Artico. A bordo ci sono nove laboratori fissi, attrezzati per diverse indagini scientifiche. A bordo e sotto coperta ci sono ulteriori spazi per container di laboratorio, la cui dotazione permette di condurre progetti di ricerca più specifici. La spedizione di ricerca con il container di laboratorio MK è partita il 5 dicembre 2021 da Bremerhaven.

La dottoressa Scarlett Trimborn, responsabile del gruppo di lavoro EcoTrace presso l’AWI, studia durante questa missione, nel container di laboratorio MK, come la disponibilità di metalli in tracce, in particolare ferro, ma anche manganese, zinco e cobalto, influenzi la crescita di microalghe nel mare antartico. Per questo, i campioni devono essere portati in laboratorio privi di metalli. «Con una pompa dell’acqua vengono prelevati campioni di acqua a diverse profondità fino a circa 4000 metri. A questo scopo vengono utilizzati cosiddetti campionatori CTD a corona d’acqua», spiega la ricercatrice.

MK Versuchsanlagen è stato quindi incaricato di sviluppare un laboratorio privo di metalli, che possa essere installato completo in un container sulla Polarstern. Il processo decisivo nella raccolta dei campioni avviene quando il CTD viene portato a bordo. Il dottor Wolfgang Küstner, responsabile di progetto di MK Versuchsanlagen, spiega il procedimento: «Per la prima volta effettueremo il risciacquo delle bottiglie CTD, che contengono l’acqua marina preziosa, con acqua pura, utilizzando un impianto di lavaggio. Per questo si utilizza acqua pura proveniente dall’impianto di trattamento delle acque integrato nel container di sala bianca. Quando tutti i sensori e le bottiglie CTD sono completamente puliti, si possono prelevare i primi campioni d’acqua. Tutto ciò avviene nel container di laboratorio appositamente predisposto da MK Versuchsanlagen. A tal fine, tutte le bottiglie CTD vengono inserite nel container attraverso una camera di aria pura. Questa linea di laboratorio serve a un prelievo di acqua “senza contaminazioni” dalle bottiglie CTD. Per applicazioni particolari, come ad esempio la filtrazione, il prelievo dei campioni è supportato da un sistema di aria compressa controllabile individualmente.»

Oltre all’analisi dell’acqua, le linee di laboratorio MK nel container sono ovviamente adatte anche per una vasta gamma di altre analisi, grazie alla loro natura multifunzionale e priva di metalli. Per esempio, i supporti delle bottiglie CTD possono essere smontati e sostituiti con sistemi di scaffalature. La camera di ingresso può continuare a funzionare come camera di aria pura senza risciacquo.

Connessione diretta di un container di sala bianca completo alle tecnologie di gestione dell’edificio

Anche a terra, MK Versuchsanlagen realizza già i primi laboratori mobili di sala bianca pronti all’uso per diverse strutture di ricerca. Questi container di sala bianca privi di metalli, consegnati completi di pareti, arredi, ventilazione, alimentazione di servizi e controllo, vengono collegati direttamente alla tecnologia di gestione dell’edificio esistente.

Attualmente MK Versuchsanlagen sta realizzando un progetto composto da sei container. Due di questi sono destinati alla tecnologia, mentre gli altri quattro costituiscono la sala bianca. Durante la pianificazione si tiene conto della sostenibilità, prevedendo che gli ambienti siano autonomi, in modo da poterli suddividere in due soluzioni separate da tre container ciascuna. Questa sala di transizione sarà basata su 20 container standard da 6,058 metri di lunghezza e 2,438 metri di larghezza, ma con un’altezza di 3,11 metri, anziché i 2,59 metri usuali. Ciò permette di installare un controsoffitto utilizzato per la tecnologia e i canali di ventilazione.

Questo container laboratorio sarà utilizzato per analizzare la composizione isotopica di campioni di roccia provenienti, ad esempio, da vulcani, miniere, meteoriti, nonché dalla Luna o da Marte. Qui si tratta delle più piccole differenze nelle concentrazioni, che, come i campioni d’acqua della spedizione Polarstern, non devono essere alterate da contaminazioni trasversali durante la preparazione dei campioni. La costruzione priva di metalli del sala bianca e delle postazioni di lavoro prive di metalli garantisce condizioni che non sempre possono essere create con laboratori convenzionali. La cosiddetta preparazione dei campioni, che utilizza acidi altamente concentrati, agisce sulle superfici metalliche, rilasciando particelle di metallo che entrano nell’aria e si depositano sulle superfici dei campioni, rendendoli inutilizzabili. In un sistema di preparazione dei campioni privo di metalli e resistente agli acidi, ciò non accade.

Allo stesso tempo, la protezione del personale riveste un ruolo importante. L’elettronica di regolazione è integrata in una catena di sicurezza e monitora costantemente parametri come la temperatura dell’ambiente di lavoro e il flusso di scarico. In caso di superamento di valori limite o di allarme, viene attivato un allarme e, a seconda della catena di sicurezza impostata, vengono disattivati in modo permanente i dispositivi di sicurezza rilevanti.

Risparmio sui costi operativi grazie a un controllo intelligente di ambienti e impianti

In tempi di costi operativi crescenti, anche un controllo intelligente ed efficiente di ambienti e impianti sta diventando un elemento chiave per costruttori e gestori di sistemi. La gestione di MK Versuchsanlagen regola dinamicamente la ventilazione dell’intera stanza e dei singoli impianti separatamente. In questo modo si garantisce una ventilazione efficiente per la massima purezza sul posto di lavoro. Se, ad esempio, i sensori installati rilevano inattività in una postazione di lavoro, la tendina frontale si chiude e la quantità di aria viene ridotta di conseguenza. Risparmi energetici fino al 50% sono possibili.

Altre interfacce consentono di trasmettere dati e segnalazioni dei sistemi di sicurezza superiori, come sistemi di allarme edificio, rilevatori di fumo e di incendio, all’utente e di integrarli nella catena di sicurezza. Collegando il sistema MK a una rete, l’utente può monitorare la gestione dell’ambiente e degli impianti tramite accesso VNC. Collegando il sistema MK a Internet, è possibile anche un accesso di diagnosi remota e l’installazione di aggiornamenti software senza che un tecnico debba essere presente sul posto. L’accesso avviene tramite una connessione VPN sicura.

Come dimostrano questi due esempi, MK Versuchsanlagen offre con i suoi laboratori container pronti all’uso sia alla ricerca che all’industria la possibilità di realizzare grandi risultati in spazi ridotti. L’idea di allestire laboratori privi di metalli, mobili e personalizzabili all’interno di container, non conosce limiti. Che sia a terra, in acqua o in aria, le possibilità di impiego sembrano infinite.