Wysoko wrażliwe badania dotyczące lądu i statków

Kontener czystego pomieszczenia, który zawiera bezmetalowe laboratorium czystego pomieszczenia. (Zdjęcie: MK Versuchsanlagen)

Spojrzenie do kontenera. Po lewej stronie znajdują się miejsca pracy, po prawej widoczne są uchwyty na butelki CTD. (Zdjęcie: MK Versuchsanlagen)

Butelka CTD jest przenoszona z komory czystego powietrza do obszaru laboratoryjnego po jej czyszczeniu. (Zdjęcie: MK Versuchsanlagen)

Laboratorium kontenerowe MK na Polarstern dysponuje niektórymi urządzeniami specyficznymi dla środowisk morskich, takimi jak uchwyty dla naukowców czy awaryjne włazy ewakuacyjne. (Zdjęcie: urządzenia eksperymentalne MK)

Laboratorium kontenerowe MK na Polarstern dysponuje niektórymi urządzeniami specyficznymi dla środowiska morskiego, takimi jak uchwyty dla naukowców czy awaryjne włazy ewakuacyjne. (Zdjęcie: urządzenia eksperymentalne MK)

Spojrzenie do kontenera. (Zdjęcie: MK Versuchsanlagen)

Gwiazda Polarna w akcji. (Copyright: F. Mehrtens)

Gwiazda Polarna w akcji. (Copyright: F. Mehrtens)

Polarna gwiazda w akcji. (Copyright: S. Arndt)

Gwiazda Polarna w akcji. (Copyright: S. Arndt)

Gwiazda Polarna w akcji. (Copyright: M. Hoppmann)

Gwiazda Polarna w akcji. (Copyright: M. Hoppmann)

Mobilny, bezmetalowy system do przygotowania próbek oparty na 20 standardowych kontenerach o długości 20 stóp: na zewnątrz umieszczone są kontenery techniczne. W trzech wewnętrznych kontenerach zostanie zbudowana bezmetalowa czysta strefa w kształcie litery U, w której zintegrowane będą dziesięć bezmetalowych systemów MK, dwie linie robocze, dwie myjnie, pomieszczenie wagowe i przejście. Szósty kontener zostanie podłączony jako magazynowy kontener w warunkach czystej strefy, poprzecznie do głównej konstrukcji.

Jednym z największych tematów w nauce od zawsze jest czystość próbek. Gdy chodzi o ochronę cennych znalezisk lub próbek przed zanieczyszczeniem, wiele grup badawczych chętnie sięga po bezmetalowe środowiska pracy oferowane przez MK Versuchsanlagen und Laborbedarf e.K. z Mücke-Merlau w środkowej Hesji. Tak jak obecnie naukowcy na pokładzie statku badawczego Polarstern, który służy badaniom mórz polarnych oraz zaopatrywaniu instytucji badawczych Koldewey-Station na Arktyce i Neumayer-Station na Antarktydzie. Statek jest obsługiwany przez Instytut Badań Polarnych i Morskich im. W. Wegenera (AWI) w Bremerhaven.

Od dawna deweloperzy MK Versuchsanlagen realizują pomysł budowy mobilnych laboratoriów czystych pomieszczeń, które mogą być konfigurowane w zależności od miejsca i celu użycia (zob. Reinraum-Jahrbuch 2017/2018, s. 50 i dalsze, „Mobilność 4D w konfigurowalnych systemach czystych pomieszczeń”). Podstawą była już więc opracowana rozwiązanie kontenerowe do zastosowania bezmetalowego czystego pomieszczenia na Polarstern.

Badanie próbek wody z głębokości 4000 metrów

Polarstern operuje w południowych miesiącach letnich od listopada do marca na Antarktydzie oraz w północnych miesiącach letnich na Arktyce. Na pokładzie znajduje się dziewięć stałych laboratoriów, wyposażonych do różnych badań naukowych. Na pokładzie i pod pokładem dostępne są dodatkowe przestrzenie na kontenery laboratoryjne, których wyposażenie umożliwia realizację bardziej specjalistycznych projektów badawczych. Podróż badawcza z kontenerem MK rozpoczęła się 5 grudnia 2021 roku w Bremerhaven.

Dr Scarlett Trimborn, kierowniczka grupy EcoTrace w AWI, bada podczas tej wyprawy w kontenerze MK, jak dostępność śladowych metali, zwłaszcza żelaza, ale także manganu, cynku i kobaltu, wpływa na wzrost mikroskopijnych alg w południowym morzu polarnym. Aby próbki nie zostały skażone metalami, muszą być dostarczane do laboratorium bezmetalowo. „Próbki wody pobieramy za pomocą pompy wodnej z różnych głębokości do około 4000 metrów. Używamy do tego tak zwanych krążków wodnych CTD,” wyjaśnia badaczka.

MK Versuchsanlagen zostało zatem zlecone do opracowania bezmetalowego laboratorium, które może być w pełni gotowe do użycia w kontenerze na pokładzie Polarstern. Kluczowym momentem w pobieraniu próbek jest moment, gdy CTD zostaje wyciągnięte na pokład. Dr Wolfgang Küstner, kierownik projektu w MK Versuchsanlagen, wyjaśnia: „Pierwszy raz będziemy płukać butelki CTD, które zawierają cenną morską wodę, za pomocą wody destylowanej, korzystając z myjni. Do tego używamy wody destylowanej z systemu uzdatniania wody zintegrowanego w kontenerze czystego pomieszczenia. Gdy wszystkie sensory i butelki CTD będą dokładnie wyczyszczone, można rozpocząć pobieranie pierwszych próbek wody. Wszystko to odbywa się w specjalnie do tego przeznaczonym laboratorium kontenerowym MK. Wszystkie butelki CTD są wprowadzane do kontenera przez czystą atmosferę za pomocą specjalnej przepustnicy powietrznej. Ta linia laboratoryjna służy do „kontaminacji wolnego” pobierania próbek wody z butelek CTD. Do specjalnych zastosowań, takich jak filtracja, pobieranie próbek wspomaga indywidualnie sterowana sprężarka powietrza.”

Oprócz analizy wody, linie laboratoryjne MK w kontenerze są oczywiście również przystosowane do wielu innych analiz. Na przykład można demontować uchwyty butelek CTD i zastępować je systemami regałów. Przepustnica może nadal służyć jako czysta przepustnica powietrzna bez konieczności płukania.

Bezpośrednie podłączenie gotowego kontenerowego czystego pomieszczenia do systemu zarządzania budynkiem

Na lądzie MK Versuchsanlagen realizuje już pierwsze mobilne laboratoria czystych pomieszczeń dla różnych instytucji badawczych. Gotowe do użycia bezmetalowe kontenery MK z ściankami, wyposażeniem, wentylacją, mediami i sterowaniem są podłączane bezpośrednio do istniejącego systemu zarządzania budynkiem.

Obecnie MK Versuchsanlagen realizuje projekt obejmujący sześć kontenerów. Dwa z nich przeznaczone są na technikę, a pozostałe cztery tworzą czyste pomieszczenie. Podczas planowania brane jest pod uwagę, z myślą o zrównoważonym rozwoju, aby pomieszczenia były autonomiczne, co umożliwia podział na dwie oddzielne konfiguracje z trzema kontenerami każda. Projektowane tymczasowe laboratorium opiera się na 20 standardowych kontenerach o długości 6,058 metra i szerokości 2,438 metra, ale o wysokości 3,11 metra zamiast standardowych 2,59 metra. Pozwala to na zainstalowanie podwieszanej podłogi, wykorzystywanej do techniki i kanałów wentylacyjnych.

Laboratorium kontenerowe ma służyć do badania składników izotopowych próbek skał, pochodzących na przykład z wulkanów, kopalni, meteorytów, a także z Księżyca czy Marsa. Kluczowe są tu najdrobniejsze różnice w stężeniu, które, podobnie jak próbki wody z wyprawy Polarstern, nie mogą być skażone przez zanieczyszczenia boczne podczas przygotowania próbek. Bezmetalowa konstrukcja czystego pomieszczenia i znajdujących się w nim bezmetalowych stanowisk pracy zapewnia warunki, których w tradycyjnych laboratoriach nie zawsze można osiągnąć. Tak zwane rozdrabnianie próbek przy użyciu silnie skoncentrowanych kwasów atakuje powierzchnie metalowe, a uwolnione cząstki metali trafiają do powietrza i osadzają się na powierzchniach próbek, czyniąc je nieprzydatnymi. W bezmetalowym, kwasoodpornym układzie przygotowania próbek nie dochodzi do tego problemu.

Jednocześnie istotne jest bezpieczeństwo personelu. Elektronika sterująca jest wbudowana w łańcuch bezpieczeństwa i ciągle monitoruje parametry, takie jak temperatura pomieszczenia i przepływ powietrza wywiewnego. Po przekroczeniu wartości granicznych i alarmowych system wysyła powiadomienie, a w zależności od ustawionej ścieżki bezpieczeństwa, wyłącza na stałe elementy krytyczne dla bezpieczeństwa.

Inteligentne sterowanie pomieszczeniem i urządzeniami pozwala oszczędzać koszty operacyjne

W dobie rosnących kosztów operacyjnych coraz większą uwagę zwraca system zarządzania przestrzenią i urządzeniami, który działa inteligentnie i efektywnie. Sterowanie MK Versuchsanlagen dynamicznie reguluje zarządzanie powietrzem w całym pomieszczeniu i poszczególnych urządzeniach oddzielnie. Dzięki temu zapewniona jest efektywna wentylacja, gwarantująca najwyższą czystość na stanowisku pracy. Na przykład, jeśli zainstalowane sensory wykryją brak aktywności przy stanowisku, zamykają przedni klapę i odpowiednio zmniejszają ilość powietrza. Oszczędności energii sięgają nawet 50 procent.

Inne interfejsy służą do przesyłania danych i powiadomień z systemów bezpieczeństwa nadrzędnych, takich jak systemy alarmowe budynków, czujniki dymu czy alarmy pożarowe, do użytkownika i integracji z łańcuchem bezpieczeństwa. Po podłączeniu do sieci użytkownik może nadzorować system za pomocą dostępu VNC. Podłączenie sterowania MK do internetu umożliwia zdalną diagnostykę i instalację aktualizacji oprogramowania bez konieczności obecności technika na miejscu. Dostęp odbywa się przez bezpieczne połączenie VPN.

Jak pokazują te przykłady, MK Versuchsanlagen oferuje zarówno nauce, jak i przemysłowi możliwość tworzenia dużych, zaawansowanych systemów na niewielkiej przestrzeni. Pomysł tworzenia mobilnych, dostosowanych do potrzeb, bezmetalowych laboratoriów w kontenerach nie zna granic. Bez względu na to, czy na lądzie, na wodzie czy w powietrzu, możliwości zastosowania wydają się nieograniczone.