Kapelusz na wszelki wypadek

U rowerzystów i pieszych często to widać, ale także Ötzi, mumia lodowcowa, nosiła to już, podobnie jak mumia torfowa z Kayhausen, którą również znaleziono — pelerynę: bezrękawną, jak najlżejszą pelerynę chroniącą przed wiatrem i pogodą. Przed 5000 latami składała się z trawy, w 364/350 p.n.e. z futra, a dziś z materiałów tekstylnych i syntetycznych: łatwa do spakowania, w razie potrzeby łatwo rozkładana i szybko zakładana.

O pelerynę myśleli również naukowcy z Fraunhofer IPA, gdy w 2015 roku wspólnie z firmą z branży lotniczej i kosmicznej zaprojektowali mobilne pomieszczenie czyste. Miało ono chronić bardzo wrażliwy sprzęt w pomieszczeniu o wysokiej klasie czystości. »Pomysł polegał na tym, aby w pomieszczeniu czystym za pomocą mobilnego i szybko instalowanego, autonomicznego systemu tworzyć własne środowisko czyste«, mówi Udo Gommel, kierownik działu Automatyzacji Inteligentnej i Techniki Czystości. Partnerzy kooperacyjni wspólnie opracowali mobilne pomieszczenie czyste, które pozwala użytkownikom na zamknięcie sprzętu na powierzchni około czterech na cztery metry w około godzinę. Narodziny »Clean And Protective Environment«, w skrócie »CAPE®«. Oferuje tymczasową ochronę przed cząsteczkową i molekularną kontaminacją podczas inspekcji produktów lub procesów czyszczenia, podczas nowej instalacji w pomieszczeniu czystym, rutynowej konserwacji i napraw. Możliwe są jednak również zupełnie inne zastosowania: jako mobilna sala operacyjna, jako pokój kwarantanny podczas pandemii, aby chronić ludzi i środowisko przed kontaminacją, jako CAPE® do konserwacji w branży półprzewodników lub jako centrum testowe i doradcze dla zdrowego powietrza w pomieszczeniach podczas pandemii koronawirusa.

Zdrowe powietrze

Czy systemy wentylacji i oczyszczania powietrza mogą chronić przed Covid-19? Jak muszą być zaprojektowane? I jak powinny być skonstruowane koncepcje higieny i wentylacji, aby zredukować przenoszenie wirusów przez aerozole? Odpowiedzi na te pytania daje zespół badawczy z instytutów Fraunhofer w Stuttgarcie: IBP, IGB i IPA, w centrum testowo-doradczym dla zdrowego powietrza w pomieszczeniach. W ramach inicjatywy Healthy-Air landu Badenia-Wirtembergia mają one pomóc małym i średnim przedsiębiorstwom w realizacji koncepcji wentylacji, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się koronawirusa w miejscu pracy. Na początku jednak chodziło o znalezienie odpowiednich pomieszczeń.

W poszukiwaniu środowiska testowego

Aby móc testować i porównywać technologie oczyszczania powietrza, naukowcy zaprojektowali dwa reprezentatywne środowiska testowe: zakład o wielkości hali fabrycznej oraz małe biuro jako miejsce pracy. Jednym z wyzwań było odtworzenie rozmiarów takiego zakładu w scenariuszu. Innym było zapewnienie, że pomieszczenie posiada odpowiednią technikę wentylacyjną, klimatyczną i oczyszczającą. Ponadto musiało ono być odkażone pod względem biologicznym i wirusologicznym, a także pod kątem koncentracji cząstek. I w końcu takie czyste środowisko testowe miało być uruchomione w najkrótszym możliwym czasie.

Takiego (czystego) pomieszczenia nie dysponowały trzy instytuty. To, co mieli do dyspozycji eksperci od pomieszczeń czystych, to CAPE®: właśnie system, który pierwotnie opracowali dla branży lotniczej i kosmicznej. Dodatkowo nieużywany był odgrodzony na czas pandemii audytorium.

Najczystsza sala wykładowa na świecie

Sala nazwana imieniem prezesa Fraunhofer i dyrektora instytutu IPA, Hans-Jürgena Warnecke, znajduje się w centrum instytutowym stowarzyszenia Fraunhofer w Stuttgarcie. Można ją podzielić przesuwanymi ściankami na dwie części o powierzchni około 95 m² i około 92 m², a w zależności od ustawienia krzeseł pomieści od 78 do 160 osób. Długość ponad 14 m powoduje, że sala trapezowo zwęża się ku scenie, mając szerokość od 17 m do 10 m. Wysokość wynosi około 7 m.

Istniejące CAPE® ma powierzchnię 100 m² i wysokość 7 m. Idealnie odpowiadało scenariuszowi miejsca pracy w hali produkcyjnej i, po kilku dodatkowych przeróbkach, zmieściło się dokładnie w dostępnej sali wykładowej. Wysokość systemu CAPE® została nieco dostosowana, a panele ścian sali odjęte, co pozwoliło na optymalne wykorzystanie przestrzeni. Naukowcy dodali jeszcze ruchomą przegrodę. Podłogę wyłożono płytami podłogowymi do pomieszczeń czystych. Po 2 dniach montażu powstało środowisko testowe, którego system można uruchomić w kilka godzin i równie szybko zdemontować.

Trzy czwarte przestrzeni zajmuje sala konferencyjna z stołami i krzesłami. W odseparowanej części środowiska testowego naukowcy z Fraunhofer zbudowali drugie ustawienie, które na powierzchni 25–30 m² odzwierciedla biuro. W najczystszej sali wykładowej na świecie naukowcy będą do 31 grudnia 2021 roku przeprowadzać testy skuteczności technologii oczyszczania powietrza. Ponadto opracują dokument ekspercki, w którym ocenią, jak mobilne i stałe systemy wentylacji wpływają na rozprzestrzenianie się infekcyjnych aerozoli SARS-CoV-2.

Pomiar sztucznymi aerozolami

W dużym środowisku testowym sali konferencyjnej oceniane są aerozole. Aerozole to początkowo po prostu cząstki, unoszące się w powietrzu, tworzące chmurę cząstek. Do pomiaru koncentracji cząstek naukowcy używają sztucznych aerozolów. Uzyskują je, odparowując dietyloheksylosebakat, czyli DEHS — lotną, oleistą ciecz. W ten sposób powstają aerozole kropelek, które bardzo przypominają aerozole zanieczyszczone wirusami koronowymi, ale są nieszkodliwe dla ludzi i środowiska. Ich rozmiar cząstek mieści się głównie w zakresie od 0,2 do 0,3 μm. Dodatkowo unoszą się podobnie jak wirusy. Cząstki DEHS o rozmiarze 0,3 μm odparowują bez pozostałości po około 4 godzinach. Tak długo, jak wirusy koronowe unoszą się w pomieszczeniu i mogą być wdychane.

12 liczników cząstek mierzy w różnych miejscach i na różnych wysokościach koncentrację cząstek. »Widzę wyraźnie, gdzie są obszary zanieczyszczone cząstkami lub gdzie przepływ powietrza jest lepszy i skuteczniej odprowadza potencjalne wirusy«, wyjaśnia Gommel. »Mogę więc bardzo precyzyjnie określić, gdzie na stanowisku pracy dochodzi do zanieczyszczenia cząstkami.«

W drugim środowisku testowym, w biurze, eksperci oceniają eliminację wirusów. Wirusy są analizowane przed i po działaniach oczyszczania powietrza pod kątem ich aktywności i ilości. »Po testach możemy wyciągać wnioski dotyczące koniecznych modyfikacji systemów wentylacyjnych lub kroków inaktywacji«, mówi Gommel. Dodatkowo istnieje możliwość dekontaminacji pomieszczenia za pomocą promieniowania UVC, co ma na celu przywrócenie pomieszczenia do stanu wyjściowego po każdym teście.

W środowisku testowym naukowcy mierzą także produkty chemiczne pochodzące z powietrza oraz temperaturę i wilgotność. Szczególnie wilgotność powietrza odgrywa kluczową rolę w wielkości frakcji cząstek i rozprzestrzenianiu się infekcji. Im bardziej suche powietrze, tym mniejsze cząstki i dłużej unoszą się w powietrzu, co zwiększa ryzyko wdychania. Przy wilgotniejszym powietrzu cząstki aglomerują się, frakcje stają się większe i opadają pod wpływem grawitacji. Dodatkowo, przy suchym powietrzu śluzówki są bardziej podatne na osadzanie się wirusów, co ułatwia infekcję. Kolejną rolę odgrywają wartości akustyczne. Jeśli poziom hałasu urządzenia jest zbyt wysoki, użytkownicy wyłączają oczyszczacz powietrza.

Jak zdmuchnięte

Podstawową metodą radzenia sobie z unoszącymi się w powietrzu zanieczyszczeniami jest technika przepływu powietrza. Powstała ona około 60–70 lat temu w pomieszczeniach czystych. Na początku wprowadzono poziomy przepływ powietrza, który zawsze odpycha zanieczyszczenia od miejsca zanieczyszczenia.

»Podobnie postępujemy w koncepcjach oczyszczania powietrza. Sprawdzamy, gdzie te aerozole z wirusami są najmniej niebezpieczne dla ludzi i kierujemy przepływ powietrza tak, aby odpychać zanieczyszczenia«, mówi ekspert od pomieszczeń czystych. Powietrze jest kierowane przez filtry i oczyszczane.

Oczyszczacze powietrza działają na różnych systemach. Jedne zasysają powietrze od tyłu i wydmuchują z przodu. Wadą tego podejścia jest tak zwany efekt chłodzenia. Niektóre osoby odczuwają przeciąg, odczuwają chłód i skarżą się na dolegliwości.

Inne rozwiązanie to oczyszczacze, które rozprowadzają powietrze przez dyfuzor i unoszą je do góry. Podejście to zakłada, że dzięki wirowaniu w pomieszczeniu następuje równomierne zmniejszenie koncentracji cząstek unoszących się w powietrzu. Ponieważ podczas mówienia ciepłe powietrze unosi się do góry, a tam można oczekiwać więcej aerozoli z wirusami, niektórzy producenci oczyszczaczy montują je na suficie i zasysają powietrze od góry, a nie z wysokości stanowiska pracy. Wilgotne wymazywanie objawia się jednak w postaci emitowanych kropelek na wizjerach i osłonach ochronnych. Wynika z tego, że aerozole nie są od razu rozpraszane w fazie, lecz rozprzestrzeniają się do góry. Kluczowe pytanie brzmi: co może wpłynąć na pracowników i na co mogą mieć wpływ? Ponieważ siedzą przy biurkach, należy ocenić również obszar pracy. W każdym przypadku konieczne jest dokładne rozważenie lokalizacji oczyszczacza powietrza.

Rozpoczęcie testów

Po opracowaniu i walidacji metod oraz zbudowaniu środowiska testowego rozpoczynają się testy. Dotychczas otrzymano pierwsze zamówienia. Wyniki testów są porównywane, a tzw. analiza przekrojowa udostępniana producentom. Tam widzą, jak ich urządzenie wypada w porównaniu do średnich wyników. Nazwa producenta i model urządzenia są zaciemnione, tylko producent może zobaczyć, jak jego urządzenie plasuje się w rankingu w porównaniu z innymi.

W konserwacji półprzewodników CAPE®

Przemysł półprzewodników ma najwyższe wymagania dotyczące czystości kontaminacji. Ich czyste pomieszczenia produkcyjne muszą być wolne także od składników chemicznych, które mogłyby zakłócać procesy powlekania. Podczas prac konserwacyjnych lub montażowych pojawiają się podobne problemy jak w branży lotniczej i kosmicznej. Było tylko kwestią czasu, aż eksperci z IPA zaprezentują producentom półprzewodników swoje rozwiązanie. »Trudnym zadaniem było skonfigurowanie systemu tak, aby podczas interwałów konserwacyjnych, trwających od 1 do 3 dni, mógł on pozostać zainstalowany w obszarach produkcyjnych i na sprzęcie, a jednocześnie można go było szybko zdemontować«. Jednym z wyzwań są bardzo ograniczone przestrzenie. Każdy centymetr jest wykorzystywany pod sprzęt. System CAPE®, opracowany na potrzeby branży lotniczej, zajmuje już zbyt dużo miejsca«, opowiada Gommel.

Powstała nowa strategia. Opracowano wysuwany, elastyczny system CAPE®. Montuje się go raz na suficie, ma sztywną ramę — i jest opuszczany z sufitu nad urządzenie do konserwacji. Wewnątrz powietrze jest zasysane, aby podczas konserwacji nie doszło do zanieczyszczenia na zewnątrz.

Kluczowym elementem była technika przepływu powietrza. Zazwyczaj powietrze jest wdmuchiwane od góry i odprowadzane przez perforowaną podłogę podwójną. Systemy sufitowe zainstalowane w tym celu pokrywają w 100 procentach sufit filtrami do pracy ciągłej. Jednak w przypadku CAPE® konieczne jest odsysanie z pomieszczenia więcej powietrza, niż jest wprowadzane z sufitu, aby wytworzyć podciśnienie i zapobiec przedostawaniu się zanieczyszczeń na zewnątrz. Decyduje o tym ściana CAPE®. Przez nią musi przepływać powietrze. Ta wymagana cecha jest zapewniona przez tkaninę, której powierzchnia przepływu powietrza jest dokładnie określona.

Z tego systemu konserwacyjnego CAPE® naukowcy opracowali specjalną aplikację, którą można nałożyć na sprzęt. »2ndSCIN« to spersonalizowany kombinezon dla maszyn. Zapewnia ochronę przed emitującymi zanieczyszczeniami i wydłuża cykle konserwacji.

Potrzebę mobilnych i autonomicznych pomieszczeń czystych mają nie tylko przemysł lotniczy i półprzewodników, ale także optyka, przemysł spożywczy, farmaceutyczny i medyczny.

A także inne branże wykazują zainteresowanie, czego przykładem jest zamówienie na system CAPE® o powierzchni 150 m² od bawarskiego dostawcy samochodów.

CAPE® można nabyć zarówno jako produkt standardowy, jak i jako model dostosowany do potrzeb klienta. Przy koncepcji i produkcji modeli specjalnych uwzględnia się ich przeznaczenie, pożądaną wielkość i wymaganą klasę czystości powietrza.