PAPR – що це таке і навіщо ми проєктуємо?

papr-article-

Якщо ви пам’ятаєте Джада Лоу в фільмі “Зараження” або будь-якого іншого лікаря в фільмах, де є інфекційні відділення і якийсь неприємний вірус, то пам’ятаєте, що лікарі там трохи схожі на космонавтів. І це правильно. Під час інфекційної загрози, особливо з характером пандемії, лікарі мають бути максимально захищені. 

В Україні близько 20% захворівших на Covid-19 — медичні працівники. В США частина медиків серед всіх захворілих — 2%, у Китаї — 3,8%, у Італії — 9%. В той же час у Іспанії — 19%, у Польщі — 15%. Ми очолюємо цей сумний рейтинг через нестачу засобів захисту для медичних працівників. 

Один із найпопулярніших у світі “захисних шоломів” – це маска PAPR, вона ж повнолицева маска з примусовою фільтрацією повітря, вона ж – моторизований респіратор для очищення повітря. Вона рекомендована Центром з контролю та профілактики захворювань у США (CDC). Але в Україні ви лікарів у таких “шоломах” навряд чи бачили: промислово їх у нас не виготовляють, а провідний виробник PAPR у світі, компанія 3M, продає такі захисні комплекти за ціною від 1000 долларів США. Відповідно, лікарні їх не закуповують.

Ми провели 3 тижні в нашій майстерні “гараж хаб”, аби розробити маску PAPR, собівартість якої – менше 2000 грн, і виготовляти її можна як на підприємствах (що швидше й дешевше), так і в таких самих майстернях, як наша.

Всю необхідну для цього технічну документацію ми днями викладемо у вільний доступ на Yak.Today.

Отже, 

Що це і для чого:

Захисний шолом з системою фільтрації повітря – англійською він називається Powered air-purifying respirator, або PAPR. Це засіб індивідуального захисту для медичних працівників багаторазового використання. А ще його використовують на виробництві, де високе забруднення повітря — пилом, хімічними речовинами, аерозолями. Наприклад, у майстерні з фарбування. Він зупиняє 99,95 % частинок діаметром 0,3 мікрони. Й набагато більше частинок з більшим або меншим діаметром. Діаметр вірусу SARS-CoV-2 коливається від 0,05 до 0,2 мікронів.

PAPR виробництва компанії 3М (фото з сайта ActiveForever.com)

Його переваги над медичними масками та респіраторами:

  • він багаторазовий – його можна просто зарядити від розетки або USB;
  • у ньому підтримується комфортна для голови лікаря температура і свіжість повітря;
  • матеріали для виготовлення доступні у великій кількості;
  • немає обмежень на бороди, вуса та окуляри;
  • пацієнти зможуть бачити обличчя медиків замість масок, а від цього якось легше. Так, для реанімації це не принципово, бо там пацієнти знаходться у медикаментозній комі, але для людей при свідомості, ізольованих від усього світу, це дуже важливо.

Наші маски працюють на автономному живленні (батарея, яка висить на боці у лікаря/лікарки) і забезпечені не лише фільтром і витяжкою, але й датчиками стану фільтру та заряду батареї. Потужності маски вистачає на 8-12 годин безперервної роботи. Щойно один із датчиків подає сигнал – треба піти в безпечне приміщення і або взяти новий шолом, поставивши цей на зарядку, або замінити фільтр.

Виявляється, це не складно

Найскладнішим стало завдання зробити капюшон (ми спочатку вирізали, а потім зварювали по швах, а треба було робити навпаки). Все інше — це просто збірка системи, яка проганяє повітря через фільтр HEPA. Не складніше, ніж той самий пилосос. Всю роботу виконує диво-фільтр, який коштує всього 250 грн. Купити його можна в онлайн-магазинах, наприклад отут. Тому виготовляти PAPR масово можна вже зараз.

Як працює PAPR

PAPR як засіб індивідуального захисту складається з трьох ключових елементів:

  1. захисний костюм (фактично, капюшон), що вкриває голову, плечі та верхню частину грудей;
  2. пристрій для нагнітання та фільтрації повітря;
  3. шланг для поєднання костюма та пристрою.

Пристрій засмоктує повітря, пропускає його через фільтр і випускає у костюм у його верхній частині через шланг. Всередині костюма повітря, насичене завдяки диханню більш важким окисом вуглецю, опускається вниз і виходить через полу костюму. А на людину завжди віє прохолодний вітерець. 

Вся фішка у тиску — через нагнітання тиск повітря всередині костюму завжди вище, ніж у навколишньому просторі. Тому повітря ззовні ніяк не може потрапити всередину костюму, навіть якщо ви випадково або навмисно зробите в ньому додаткові отвори. Тобто найважливішим завданням PAPR стає ретельна фільтрація повітря, що нагнітається у костюм. Там не має бути вірусів. І це можливо завдяки фільтру HEPA (High Efficiency Particulate Air).

Його почали масово виробляти ще у 1950-ті роки для захисту від пилу, фарби, інших шкідливих речовин. Основа фільтру — мережа волокон зі склопластику. Коли повітря проходить через цю хаотично влаштовану сітку, частинки будь-якого розміру в ньому застрягають. Це досягається за рахунок декількох ефектів.

  • Інерція — великі частинки, на відміну від молекул повітря, не можуть оминати волокна, й просто натикаються на них і застрягають. Чим більше розмір частинки, тим вірогідніше вона застрягає.
  • Перехоплення — невеликі частинки разом із повітрям оминають волокна, але торкаються їх, прилипають і застрягають.
  • Дифузія — для найменших частинок, які теж слідують за повітрям, суттєвою стає власна теплова енергія — вона змушує їх постійно змінювати траєкторію. Це схоже на броунівський рух атомів і молекул. Тому, проходячи через фільтр, такі частинки ще більше схильні застрягати у волокнах. І чим менший розмір частинки, тим більше вплив теплової енергії, хаотичніший рух і ефективніший фільтр.

Ефективність HEPA була перевірена та затверджена NASA у 2017 році. А CDC, до речі, визнає PAPR с HEPA-фільтром ефективнішим за всі інші засоби індивідуального захисту (респіратори N95 та інші).

Хоча ефективність фільтра HEPA надвисока, він дуже простий у виготовлені. Цей фільтр використовують у різних ситуаціях, де потрібна фільтрація повітря. А найчастіше його можна зустріти у звичайних пилососах.

Ще одна цікава особливість HEPA — чим довше він працює, тим більше в ньому застрягає частинок. І ці частинки самі стають елементами фільтру, допомагаючи фільтрувати повітря. В якийсь момент їх стає так багато, що повітря вже майже не проходить через фільтр — це у нашому PAPR відслідковує спеціальний датчик. Тоді фільтр треба замінити. Але це відбудеться щонайменше через 1000 годин використання. І це не означає, що якась частинка пройде крізь фільтр. Через нього просто вже ніщо не пройде, навіть повітря.

Очевидним є застереження щодо датчиків — що буде, якщо якийсь не спрацює? Якщо вентилятор перестане працювати, або якщо батарея сяде? Тоді перестане нагнітатися повітря, і це одразу буде помітно людині в костюмі: вітерець буде слабшим, стане жарко — треба негайно залишити небезпечну зону.

Матеріали для виготовлення PAPR та ціни

Для виготовлення в умовах майстерні нам потрібні такі матеріали:

  • полікарбонат монолітний прозорий 2мм (0,1 кв м) = 55 грн
  • поліетиленова плівка 2мм — відріз довжиною 0,6 м від рулону шириною 1,5 м = 20 грн
  • труба гофрована пластикова діаметром 32/24 довжиною 1 м = 100 грн
  • фільтр HEPA-13 Karcher = 230 грн
  • елемент живлення — літій-іонний акумулятор 18650 3.7v (3 шт) = 200-300 грн
  • батарейний відсік для трьох 18650 = 11 грн
  • контролер заряду 18650 3S 10A Battery Protection Board = 39 грн
  • зарядний пристрій 12В 1А = 45 грн
  • вентилятор SUNON MF50151VX-A99 (повітряний струм 9.18м3/год, тиск 24мм H2O) = 200 грн
  • контролер Arduino Nano v3.0 = 91 грн

електричні компоненти:

  • 2 шт 2N7002-7-F  Транзистор польовий MOSFET
  • IRF520NPBF  Транзистор IR MOSFET N-Канал
  • SMD-резистор (0805) 10 kom
  • SMD-резистор (0805) 390 om
  • SMD-резистор (0805) 110 kom  = 50 грн
  • контролер атмосферного тиску BMP280 = 37 грн
  • п’єзодинамік 12В = 20 грн
  • АБС-пластик 3 мм (0,15 кв м) та 5 мм (0,1 кв м) = 100 грн

Всього: 1298 грн

Виготовлення PAPR

З поліпропілену на лазерному верстаті зварюємо та вирізаємо (саме у такій послідовності) костюм, з’єднуємо зі шлангом, шланг — з пристроєм фільтрації.

У пристрої фільтрації електричний струм з елементу живлення подається на вентилятор, який переганяє повітря ззовні на фільтр HEPA.

Потужність вентилятора регулюється вручну — кнопкою обирається один з трьох режимів.

Залишок заряду у батареї фіксується датчиком. При низькому значенні подається звуковий сигнал. Випробування показало, що заряду вистачає на 8 годин, тобто більше, ніж на одну зміну. Заряджається батарея, як будь-який павербанк, через розетку.

Тяга повітря, а фактично тиск у шлангові фіксується датчиком (тиск має бути, за законом Бернуллі нижчим, ніж атмосферний). Якщо тиск наближається до критичного значення, подається звуковий сигнал.

Що можете зробити ви

Загалом, виготовлення PAPR є більше завданням знайти, придбати окремі готові компоненти та зібрати їх, ніж вручну обробляти матеріали. Тому виробляти його можна у майстернях та навіть в домашніх умовах, якщо ви розумієтесь на електротехниці.

Найтехнологічнішим місцем у нашому плані є лазерний верстат — на ньому ми за 20 секунд робимо костюм із поліетилену — вирізаємо форму з рулону та зварюємо шви. Без верстата з ножицями та ручним зварюванням ця робота займає 20 хвилин.

Найвідповідальнішим є збірка боксу з вентилятором, фільтром і електричною схемою. Повітря всередині коробки має проходити через фільтр, не маючи ніяких інших щілин для проникнення у шланг і далі — у костюм.

Що можна виготовляти в Україні

Простіше перелічити, що не виробляють в Україні: фільтр HEPA, вентилятор, елемент живлення, всі електронні компоненти. Все це треба купувати у будівельних, господарчих або онлайн-магазинах, але, на щастя, все не є ані дефіцитним, ані дорогим. Все інше (костюм, шланг, пластиковий контейнер) може бути вироблено вручну в майстернях, хабах, на промислових підприємствах. Але той же шланг простіше і дешевше придбати.