Un cappotto per ogni evenienza

Tra i ciclisti e gli escursionisti si vede spesso, ma anche Ötzi, il corpo glaciale, lo indossava già e anche nella mummia del torbido di Kayhausen è stato trovato — un mantello: un mantello senza maniche, il più leggero possibile, per proteggersi dal vento e dal maltempo. 5.000 anni fa era fatto di erba, nel 364/350 a.C. di pelliccia, oggi di materiali tessili e sintetici: facile da riporre, da aprire quando necessario e da indossare rapidamente.

Anche gli scienziati del Fraunhofer IPA hanno pensato a un mantello, quando nel 2015 hanno progettato, insieme a un'azienda aerospaziale, una camera bianca mobile. Questa doveva proteggere hardware altamente sensibile in una camera bianca di alta classe di purezza. «L'idea era di creare, all’interno di una camera bianca, tramite un sistema mobile e rapido da installare, un ambiente di camera bianca autonomo», spiega Udo Gommel, responsabile del settore Automazione intelligente e Tecnologie di purezza. I partner di cooperazione hanno sviluppato insieme una camera bianca mobile che permette agli utenti di ospitare hardware su una superficie di circa quattro per quattro metri in circa un'ora. È nato il «Clean And Protective Environment», abbreviato in «CAPE®». Offre protezione temporanea contro contaminazioni particellari e molecolari, durante ispezioni di prodotto o processi di pulizia, durante nuove installazioni in camera bianca o manutenzione routinaria e riparazioni. Ma sono possibili anche applicazioni molto diverse: come sala operatoria mobile, come stanza di quarantena durante pandemie, per proteggere le persone e l’ambiente da contaminazioni, come CAPE® di manutenzione nel settore dei semiconduttori o come centro di test e consulenza per aria sana durante la pandemia di COVID-19.

Aria Sana

Le installazioni di ventilazione e purificazione dell’aria possono proteggere dal Covid-19? Come devono essere progettate? E come devono essere strutturati i concetti di igiene e ventilazione per ridurre il trasporto virale tramite aerosol? Risposte a queste domande le fornisce un team di ricerca degli istituti Fraunhofer di Stoccarda IBP, IGB e IPA in un centro di test e consulenza per aria sana. Nell’ambito dell’iniziativa Healthy-Air del Baden-Württemberg, intendono aiutare piccole e medie imprese a implementare concetti di ventilazione per prevenire la diffusione del coronavirus sul posto di lavoro. Ma prima di tutto, si è trattato di trovare ambienti adatti.

Alla ricerca di un ambiente di test

Per poter testare e confrontare le tecnologie di purificazione dell’aria, gli scienziati hanno progettato due ambienti di test rappresentativi: un sito produttivo delle dimensioni di un capannone industriale e un piccolo ufficio come ambiente di lavoro. Una sfida era già rappresentata dalla semplice grandezza di un tale sito in uno scenario simulato. Un’altra, che la stanza fosse dotata di un sistema di ventilazione, climatizzazione e pulizia adeguato. Inoltre, doveva poter essere decontaminata dal punto di vista biologico-virologico e anche in relazione alla concentrazione di particelle. E infine, un ambiente di prova così pulito doveva poter essere messo in funzione nel più breve tempo possibile.

Un tale spazio (camera bianca) non era disponibile per i tre istituti. Tuttavia, ciò che avevano a disposizione gli esperti di camere bianche era un CAPE®: proprio il sistema che avevano originariamente sviluppato per l’aerospaziale. Inoltre, una sala conferenze chiusa a causa della pandemia era inutilizzata.

La sala conferenze più pulita del mondo

La sala, a nome del presidente Fraunhofer e direttore dell’istituto IPA Hans-Jürgen Warnecke, si trova nel centro dell’istituto della Fraunhofer a Stoccarda. Può essere divisa in due aree di circa 95 m² e 92 m² tramite pannelli scorrevoli e può ospitare da 78 a 160 persone, a seconda della disposizione dei posti. Su una lunghezza di quasi 14 m, la sala si restringe trapezoidalmente verso il palco, con una larghezza di 17 m a 10 m. La sua altezza è di circa 7 m.

Il CAPE® esistente ha una superficie di 100 m² e un’altezza di 7 m. Rispondeva perfettamente allo scenario di un sito produttivo di un capannone industriale e, con alcune modifiche aggiuntive, si adattava esattamente alla sala disponibile. L’altezza del sistema CAPE® è stata leggermente modificata, sono stati rimossi pannelli delle pareti della sala. In questo modo, gli spazi sono stati sfruttati al massimo. Successivamente, gli esperti hanno inserito una parete divisoria rimovibile. Il pavimento è stato rivestito con piastrelle per ambienti a contaminazione controllata. Dopo due giorni di montaggio, la camera di prova era pronta, un sistema che di norma può essere messo in funzione in poche ore e smontato rapidamente.

Tre quarti dello spazio sono occupati da una sorta di sala riunioni con tavoli e sedie. Nel quarto separato dell’ambiente di prova, gli scienziati Fraunhofer hanno allestito un secondo setting che riproduce un ufficio di circa 25-30 m². Nella sala più pulita del mondo, gli scienziati condurranno fino al 31 dicembre 2021 test di efficacia delle tecnologie di purificazione dell’aria. Inoltre, valuteranno in un documento tecnico come le unità di ventilazione mobili e fisse influenzano la diffusione di aerosol infettivi di SARS-CoV-2.

Misurazioni con aerosol artificiali

Nel grande ambiente di prova della sala riunioni vengono valutati gli aerosol. Gli aerosol sono semplicemente particelle, particelle trasportate dall’aria, che formano una nube di particelle. Per misurare la concentrazione di particelle, gli scienziati utilizzano aerosol artificiali. Questi vengono prodotti vaporizzando di-ethyl-hexyl-sebacato, chiamato DEHS, una sostanza oleosa evaporante. In questo modo si creano aerosol di goccioline, molto simili agli aerosol contaminati dai coronavirus, ma innocui per le persone e l’ambiente. La loro dimensione delle particelle è per lo più tra 0,2 e 0,3 μm. Inoltre, galleggiano nell’aria come i virus. Le particelle di DEHS da 0,3 μm evaporano senza residui dopo circa 4 ore. Finché i coronavirus rimangono sospesi nell’aria e possono essere inalati.

12 contatori di particelle misurano la concentrazione di particelle in diversi punti e a diverse altezze. «Vediamo chiaramente dove ci sono aree con carico di particelle o zone meglio ventilate, che possono quindi rimuovere meglio i potenziali virus», spiega Gommel. «Posso quindi indicare molto precisamente dove si verifica la contaminazione da particelle sul posto di lavoro.»

Nell’altro ambiente di prova, l’ufficio, gli esperti valutano la riduzione dei virus. I virus vengono analizzati prima e dopo le misure di purificazione dell’aria, in relazione alla loro attività e quantità. «Dopo i test, possiamo trarre conclusioni su eventuali modifiche necessarie ai sistemi di ventilazione o sui passaggi di inattivazione», dice Gommel. Inoltre, è possibile decontaminare la stanza con raggi UVC, per riportarla allo stato originale dopo ogni test.

Nel centro di prova, gli scienziati misurano anche i sottoprodotti chimici, la temperatura e l’umidità. In particolare, l’umidità dell’aria gioca un ruolo decisivo nelle dimensioni delle frazioni di particelle e, di conseguenza, nella diffusione delle infezioni. Più l’aria è secca, più piccole sono le frazioni di particelle e più a lungo le particelle rimangono sospese nell’aria, potendo essere inalate. Se l’aria è più umida, le particelle si agglomerano, le frazioni diventano più grandi e cadono a terra per effetto della gravità. Inoltre, con aria secca, le mucose sono più vulnerabili all’accumulo di virus, facilitando l’infezione. Un altro fattore importante nei test sono i valori acustici: se il livello di rumore di un dispositivo è troppo alto, gli utenti lo spengono.

Come sparito nel nulla

Il principale metodo per controllare le contaminazioni trasportate dall’aria è la tecnica di flusso. Questa nacque circa 60-70 anni fa, tipicamente in camere bianche. Qui si creava inizialmente un flusso d’aria orizzontale, che spingeva le contaminazioni lontano dalla fonte di inquinamento.

«Procediamo in modo molto simile anche con i concetti di purificazione dell’aria. Valutiamo dove questi aerosol virali sarebbero meno pericolosi per le persone e indirizziamo il flusso d’aria di conseguenza, per spostare via le contaminazioni», spiega l’esperto di camere bianche. L’aria viene fatta passare attraverso filtri e pulita.

I purificatori d’aria funzionano con sistemi diversi. Alcuni aspirano l’aria da dietro e la espellono davanti. Lo svantaggio di questo approccio è il cosiddetto effetto freddo («Chillfactor»). Alcune persone percepiscono correnti d’aria e si raffreddano, lamentandosi di fastidi.

Un altro sistema prevede che i purificatori diffondano l’aria tramite un diffusore e la portino verso l’alto. Questo metodo si aspetta di ridurre uniformemente la concentrazione di particelle nell’ambiente, grazie alla turbolenza. Poiché, ad esempio, parlando, l’aria riscaldata sale verso l’alto e si accumula più virulenta di aerosol, alcuni produttori di purificatori installano i dispositivi sul soffitto e aspirano l’aria dall’alto, non dall’altezza della postazione di lavoro. Tuttavia, l’umidità si manifesta anche sotto forma di goccioline emesse su visiere e schermi di protezione. È evidente che gli aerosol non si distribuiscono immediatamente in fase di diffusione verso l’alto. La domanda cruciale rimane: cosa può entrare in azione sui dipendenti? Poiché sono seduti alle loro scrivanie, anche l’area di lavoro deve essere valutata. In ogni caso, bisogna pensare attentamente alla posizione del purificatore.

Inizio dei test

Dopo lo sviluppo e la validazione dei metodi e la costruzione dell’ambiente di prova, si iniziano i test. Sono già state ricevute le prime richieste. I risultati vengono confrontati tra loro e viene fornita ai produttori una cosiddetta analisi incrociata. In questa, si vede dove si colloca il loro dispositivo rispetto alla media. Il nome del produttore e il modello sono oscurati, ma solo il produttore può vedere come si posiziona rispetto agli altri nel ranking.

CAPE® di manutenzione nel settore dei semiconduttori

L’industria dei semiconduttori ha i requisiti più elevati in termini di assenza di contaminazioni. Le sue camere bianche di produzione devono essere anche prive di componenti chimici che potrebbero disturbare i processi di rivestimento, ad esempio. Durante lavori di manutenzione o montaggio, si verificano problemi simili a quelli dell’aerospaziale. Era solo questione di tempo prima che gli esperti Fraunhofer presentassero il concetto ai produttori di semiconduttori. «La sfida difficile era configurare il sistema in modo che, durante gli intervalli di manutenzione, rimanesse installato all’interno di aree di produzione e attrezzature per 1-3 giorni, e potesse essere smontato rapidamente», racconta Gommel.

Era necessaria una nuova strategia. È nato un sistema CAPE® pieghevole e rialzabile. Viene montato una sola volta nel soffitto, ha una struttura rinforzata — e viene lasciato scendere dal soffitto sopra la macchina da manutenere. All’interno, l’aria viene aspirata, così da evitare che contaminazioni escano durante la manutenzione.

Il punto critico era la tecnica di flusso. Di solito, l’aria viene immessa dall’alto e rimossa tramite un pavimento perforato. I sistemi di copertura installati coprono il soffitto con filtri per il funzionamento continuo. Nel sistema CAPE®, però, si deve aspirare più aria di quanta ne venga immessa dal soffitto, per generare una depressione e impedire che contaminazioni escano. La parete del CAPE® è fondamentale. Deve permettere il flusso d’aria, grazie a un tessuto con apertura di flusso definita.

Da questo sistema CAPE® di manutenzione, gli esperti hanno sviluppato un’applicazione speciale che si può applicare sull’attrezzatura. «2ndSCIN» è il nome del vestito su misura per le macchine. Offre protezione contro contaminazioni emesse e prolunga i cicli di manutenzione.

Oltre all’aerospaziale e ai semiconduttori, anche l’industria ottica, alimentare, farmaceutica e medica hanno bisogno di ambienti di pulizia mobili e autonomi.

Ma anche altri settori mostrano interesse, come dimostra l’ordine di un sistema CAPE® di 150 m² da parte di un fornitore automobilistico bavarese.

Un sistema CAPE® può essere acquistato sia come prodotto standard sia come modello personalizzato. Durante la progettazione e la produzione di modelli su misura, si tiene conto dell’uso previsto, delle dimensioni desiderate e della classe di purezza dell’aria richiesta.