Hochsensible Forschung zu Land und zu Schiff

Der Reinraum-Container, der das metallfreie Reinraumlabor beinhaltet. (Foto: MK Versuchsanlagen)

Blick in den Container. Auf der linken Seite befinden sich die Arbeitsbereiche, rechts sind die Halterungen für die CTD-Flaschen zu sehen. (Foto: MK Versuchsanlagen)

Eine CTD-Flasche wird nach der Reinigung aus der Reinstluftschleuse in den Laborbereich überführt. (Foto: MK Versuchsanlagen)

Das MK-Container-Labor auf der Polarstern verfügt über einige hochseespezifische Einrichtungen, wie Haltestangen für die Wissenschaftler oder eine Notausstiegsluke. (Foto: MK Versuchsanlagen)

Das MK-Container-Labor auf der Polarstern verfügt über einige hochseespezifische Einrichtungen, wie Haltestangen für die Wissenschaftler oder eine Notausstiegsluke. (Foto: MK Versuchsanlagen)

Blick in den Container. (Foto: MK Versuchsanlagen)

Die Polarstern im Einsatz. (Copyright: F. Mehrtens)

Die Polarstern im Einsatz. (Copyright: F. Mehrtens)

Die Polarstern im Einsatz. (Copyright: S. Arndt)

Die Polarstern im Einsatz. (Copyright: S. Arndt)

Die Polarstern im Einsatz. (Copyright: M. Hoppmann)

Die Polarstern im Einsatz. (Copyright: M. Hoppmann)

Eine mobile metallfreie Probenaufbereitungsanlage auf Basis von 20 Fuß Standardcontainern: Außen sind jeweils die Technikcontainer platziert. In den drei inneren Containern wird ein metallfreier Reinraum in U-Form aufgebaut, in den zehn metallfreie MK-Anlagen, zwei Arbeitszeilen, zwei Spülen, ein Wägeraum und eine Schleuse integriert werden. Der sechste Container wird als Lagercontainer unter Reinraumbedingungen quer angeflanscht.

Eines der größten Themen in der Wissenschaft ist seit jeher die Probenreinheit. Wenn es darum geht, wertvolle Funde oder Proben vor Kontamination zu schützen, greifen daher viele Forschergruppen gerne auf die metallfreien Arbeitsumgebungen von MK Versuchsanlagen und Laborbedarf e.K. aus Mücke-Merlau in Mittelhessen zurück. So wie jetzt auch die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an Bord des Forschungsschiffes Polarstern, welches der Erforschung der Polarmeere und Versorgung der Forschungseinrichtungen Koldewey-Station in der Arktis und Neumayer-Station in der Antarktis dient. Betrieben wird das Schiff vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven.

Die Idee, mobile Reinraumlabore zu bauen, die je nach Einsatzort und Einsatzzweck variabel ausgestattet werden können, verfolgen die Entwickler bei MK Versuchsanlagen schon länger (siehe Reinraum-Jahrbuch 2017/2018, S. 50ff., „4D-Mobilität bei variabel einsetzbaren Reinraumanlagen“). Die Basis war mit der Entwicklung einer Containerlösung für den Einsatz eines metallfreien Reinraums auf der Polarstern daher schon vorhanden.

Wasserproben aus 4000 Meter Tiefe werden untersucht

Die Polarstern ist in den südlichen Sommermonaten November bis März in der Antarktis und den nördlichen Sommermonaten in der Arktis unterwegs. An Bord gibt es neun festverbaute Labore, die für unterschiedlichste wissenschaftliche Untersuchungen ausgerüstet sind. An und unter Deck gibt es weiteren Raum für Laborcontainer, deren Ausstattung es ermöglicht, spezifischere Forschungsprojekte durchzuführen. Die Forschungsreise mit dem MK-Laborcontainer startete am 5. Dezember 2021 in Bremerhaven.

Dr. Scarlett Trimborn, die Leiterin der Arbeitsgruppe EcoTrace am AWI, erforscht auf dieser Reise im MK-Laborcontainer, wie die Verfügbarkeit von Spurenmetallen, insbesondere Eisen, aber auch Mangan, Zink und Kobalt das Wachstum von kleinzelligen Algen im Südpolarmeer beeinflusst. Dafür müssen die Proben spurenmetallfrei ins Labor gebracht werden. „Mit einem Wasserschöpfer werden Proben von Wasser aus unterschiedlichen Tiefen bis ca. 4000 Meter genommen. Dabei kommen sogenannte CTD-Kranzwasserschöpfer zum Einsatz“, erläutert die Forscherin die Vorgehensweise.

MK Versuchsanlagen wurde daher beauftragt, ein metallfreies Labor zu entwickeln, welches schlüsselfertig in einem Container auf der Polarstern installiert werden kann. Der entscheidende Prozess in der Probennahme tritt ein, wenn die CTD an Deck geholt werden. Dr. Wolfgang Küstner, Projektleiter bei MK Versuchsanlagen, erläutert die Vorgehensweise: „Das Abspülen der CTD-Flaschen, welche das kostbare Meerwasser enthalten, mit Reinstwasser, werden wir erstmalig mithilfe einer Waschanlage durchführen. Dafür verwendet man Reinstwasser aus der im Reinraum-Container integrierten Wasseraufbereitungsanlage. Sind alle Sensoren und CTD-Flaschen komplett gereinigt, können die ersten Wasserproben genommen werden. All dies geschieht in dem eigens dafür ausgelegten Laborcontainer von MK Versuchsanlagen. Hierzu werden alle CTD-Flaschen über eine Reinstluftschleuse in den Container eingeschleust. Diese Laborzeile dient zur „kontaminationsfreien“ Wasserprobennahme aus den CTD-Flaschen. Für besondere Anwendungen, wie z.B. Filtration, wird die Probennahme durch eine individuell steuerbare Druckluftanlage unterstützt.“

Neben der Wasseranalytik sind die MK-Laborzeilen im Container als multifunktionaler metallfreier Reinraum aber selbstverständlich auch für eine Vielzahl anderer Analysen geeignet. So können z.B. die CTD-Flaschenhalterungen demontiert und durch Regalsysteme ersetzt werden. Die Schleuse kann ohne Spülung dann weiterhin als Reinstluft-Materialschleuse dienen.

Direkte Anbindung eines schlüsselfertigen Container-Reinraums an die Gebäudeleittechnik

Auch an Land werden bereits die ersten mobilen Reinraumlabore für verschiedene Forschungseinrichtungen von MK Versuchsanlagen realisiert. Hierbei werden die schlüsselfertig gelieferten metallfreien MK-Container-Reinräume mit Wänden, Einrichtung, Lüftung, Medienversorgung und Steuerung direkt an die vorhandene Gebäudeleittechnik angebunden.

Aktuell verwirklicht MK Versuchsanlagen ein Projekt, welches aus sechs Containern besteht. Zwei der Container werden für die Technik benötigt, die übrigen vier Container bilden den Reinraum. Bei der Planung wird im Sinne der Nachhaltigkeit berücksichtigt, dass die Räume autark geplant werden, damit eine Aufteilung in zwei separate Lösungen aus drei Containern möglich ist. Geplant wird dieses Übergangslabor auf Basis von 20 Fuß Standardcontainern (6,058 Meter lang, 2,438 Meter breit), die aber eine Höhe von 3,11 Meter, anstelle der sonst verwendeten 2,59 Meter, aufweisen. Dies ermöglicht die Installation einer Zwischendecke, die für Technik und Lüftungskanäle genutzt wird.

Genutzt werden soll dieses Containerlabor um die Isotopenzusammensetzung von Gesteinsproben, die beispielsweise von Vulkanen, aus Bergwerken oder von Meteoriten sowie dem Mond oder dem Mars stammen, zu untersuchen. Hier kommt es auf die kleinsten Unterschiede in der Konzentration an, welche, wie die Wasserproben der Polarstern Expedition, nicht durch Querkontaminationen während der Probenaufbereitung verfälscht werden dürfen. Die metallfreie Bauweise des Reinraums und der dort vorhandenen metallfreien Arbeitsstationen gewährleistet Bedingungen, die bei herkömmlichen Laboren nicht immer geschaffen werden können. Der sogenannte Probenaufschluss mit Hilfe hochkonzentrierter Säuren greift nämlich Metalloberflächen an, austretende Metallpartikel gelangen in die Raumluft und scheiden sich auf Probenoberflächen ab, sodass diese unbrauchbar werden. In einer metallfreien, säurebeständigen Probenaufbereitungsanlage ist dies nicht der Fall.

Gleichzeitig spielt der Personenschutz eine wichtige Rolle. Die Regelungselektronik ist in eine Sicherheitskette eingebaut und überwacht fortlaufend Parameter wie Arbeitsraumtemperatur und Abluftstrom. Bei einer Überschreitung von Grenz- und Alarmwerten erfolgt eine Alarmierung und je nach hinterlegter Sicherheitskette werden sicherheitsrelevante Verbraucher dauerhaft abgeschaltet.

Mit intelligenter Raum- und Anlagensteuerung Betriebskosten sparen

In Zeiten von steigenden Betriebskosten rückt außerdem eine Raum- und Anlagensteuerung, die smart und effizient arbeitet in den Fokus der Anlagenbauer und –betreiber. Die Steuerung von MK Versuchsanlagen regelt hierbei dynamisch das Luftmanagement des gesamten Raumes und der einzelnen Anlagen getrennt voneinander. So wird sichergestellt, dass eine effiziente Lüftung für höchste Reinheit am Arbeitsplatz sorgt. Erkennt die verbaute Sensorik zum Beispiel eine Inaktivität an einer Arbeitsstation, wird der Frontschieber geschlossen und die Luftmenge dementsprechend abgesenkt. Energieeinsparungen von bis zu 50 Prozent sind dabei möglich.

Weitere Schnittstellen dienen dazu, Daten und Meldungen der übergeordneten Sicherheitssysteme, wie zum Beispiel Gebäudemeldesysteme, Rauchmelder und Feuermelder an den Nutzer weiterzuleiten und in die Sicherheitskette zu integrieren. Bei einer Integration in ein Netzwerk kann der Nutzer über einen VNC-Zugang die Überwachung der Raum- und Anlagensteuerung durchführen. Schließt man die MK-Steuerung an das Internet an, ist auch ein Ferndiagnosezugriff möglich und es können Softwareupdates eingespielt werden, ohne dass ein Techniker vor Ort sein muss. Der Zugriff erfolgt dabei über eine sichere VPN-Verbindung.

Wie diese beiden Beispiele zeigen, bietet MK Versuchsanlagen mit seinen schlüsselfertigen Containerlaboren sowohl der Forschung als auch der Industrie, eine Möglichkeit, nicht nur auf kleinem Raum großes zu schaffen. Die Idee, ortsveränderlich und individuell angepasst, metallfreie Labore in Containern einzurichten, kennt keine Grenzen. Ob zu Lande, zu Wasser oder auch in der Luft, die Einsatzmöglichkeiten scheinen unbegrenzt.