Autor: Nebojša Vasilev
Naslovna fotografija: Caltech Archives, autor nepoznat
Da bismo danas imali tehnologiju čistih soba kakvu poznajemo, čovečanstvo je prvo moralo da odgovori na neka od najvećih pitanja koja je sebi ikada postavilo. Koliko je stara Zemlja? Kako funkcioniše atom? Kako napraviti rakete koje mogu da napuste planetu? Kako proizvesti elektronske komponente toliko male da ih golim okom gotovo ne možemo videti? Na prvi pogled, ova pitanja nemaju mnogo zajedničkog. Međutim, sva su dovela do istog problema – kontrole kontaminacije.
U pokušaju da razume svet oko sebe, čovek je otkrio nešto što nije mogao da vidi. Nevidljivo zagađenje prisutno u vazduhu, vodi, materijalima, pa čak i na sopstvenim rukama. Upravo ta skrivena kontaminacija počela je da ugrožava najpreciznije naučne eksperimente, najsloženije industrijske procese i najosetljivije tehnologije.
Kada se pomenu čiste sobe, većina ljudi pomisli na standarde, ISO klase, HEPA filtere i brojače čestica. Stvara se utisak da je čista soba pre svega pitanje propisa, merenja i formalnog dokazivanja usklađenosti. U stvarnosti, sve je mnogo jednostavnije, ali i mnogo ozbiljnije. Čista soba nije prostor koji je „čist“. To je prostor u kome se svakog trenutka vodi borba protiv osnovnih zakona fizike, hemije i biologije. Borba protiv nevidljivog neprijatelja – kontaminacije. Svaka čestica prašine, svaki atom neželjene supstance i svaki mikroorganizam predstavljaju potencijalnu pretnju procesu koji se odvija unutar tog prostora. Zbog toga su čiste sobe postale jedno od najsavremenijih oružja koje je čovek razvio u toj borbi.
Priča o njihovom nastanku ne počinje u fabrici poluprovodnika niti u farmaceutskoj industriji. Počinje u laboratoriji jednog upornog naučnika koji je pokušavao da odredi starost Zemlje. Njegova potraga dovešće do stvaranja prvih ultračistih laboratorija, otkrivanja globalnog zagađenja olovom i razvoja tehnologija bez kojih danas ne bi postojala moderna elektronika, svemirska industrija i savremena medicina.
Mladi geolog i hemičar po imenu Kler Paterson je sredinom prošlog veka (1948-1952) pokušavao da izmeri starost planete Zemlje. Zadatak koji je dobio frustrira ga do krajnih granica, jer svaki njegov eksperiment sabotira isti nevidljivi neprijatelj – kontaminacija olovom. Oko njega, u običnoj laboratoriji, lebde milioni atoma olova, iz boje na zidovima, iz vozova koji prolaze napolju, iz benzina koji je sagoreo u automobilima, čak i iz vazduha koji udiše.
Ova priča nije samo o upornosti jednog čoveka da utvrdi starost Zemlje, već i o tome kako je jedno neprijatno otkriće o globalnom zagađenju dovelo do razvoja ultračistih soba, a potom i do eliminaciju olova iz benzina.
Utvrđivanje starosti Zemlje
Kroz istoriju, ljudi su pokušavali da odgovore na pitanje koliko je stara Zemlja, ali vremenski rasponi su bili neverovatno različiti. Kler Paterson je želeo da utvrdi precizan broj koji određuje nastanak Zemlje.
Dok su religijske interpretacije tvrdile su da je svet star svega nekoliko hiljada godina, pronađeni fosili ukazivali su na davno izumrle svetove. Ključan momenat u nauci bilo je otkriće radioaktivnosti krajem 19. i početkom 20. veka. To je otvorilo vrata nove vrste sata za merenje vremena – „atomskog sata”, koji ne zavisi ni od Sunca, ni od kalendara, ni od geologije.
Pošto „Zemlja pamti” sve svoje događaje, istraživači su tražili tragove iz najdavnijih vremena. Ali pojavio se problem. Zemlja nije savršena arhiva svoje sopstvene prošlosti. Kontinenti se sudaraju, stene se tope i ponovo formiraju, a planine erodiraju. „Najstarije kamenje” kao originalni materijal iz vremena nastanka planete bilo je gotovo nemoguće pronaći.
To je nateralo Patersona da potraži odgovor u kamenju koje je palo iz svemira, jer je ono formirano kad i Zemlja. Izabrao je jedan meteorski krater u Arizoni kao „laboratoriju prirode”. Tu je pre 50.000 godina udario meteorit prečnika oko 50 metara. Udar je bio ravan eksploziji moderne termonuklearne bombe koji je tu ostavio krater u zemlji (Baringer crater) prečnika 1.200 metara i dubine 170m. Ono što je bilo važno nalazilo se u stenama, u metalnim fragmentima meteorita, tj. u materiji staroj koliko i sama planeta.
Ostaci meterorita su praktično originalni materijal od koga je formiran Sunčev sistem. Oni nisu prošli kroz geološke procese erozije, tektonskih pokreta, topljenja i presovanja kao ostali materijali na Zemlji. Zato su meteoriti idealni kao „vremenske kapsule“.
Olovo kao povod razvoja prve čiste sobe
Kler Paterson je od svog mentora profesora Harisona Brauna, koji je osmislio plan da se izmeri starost Zemlje koristeći izotope olova u meteoritima, dobio zadatak da u laboratoriji precizno izmeri mikroskopske količine olova u uzorcima cirkona i meteorita uzetih sa dna kratera Baringer i okoline.
Pošto se radioaktivni uran vremenom raspada u olovo, njihov cilj bio je da iz uzoraka meteorita izdvoje minerale troilita koji ima ekstremno niske koncentracije uranijuma, ali stabilne izotope olova, što omogućava određivanje sastava olova prisutnog pri nastanku Sunčevog sistema. Zatim su metodom olovo-olovo mogli da uporede izotopske odnose olova iz meteorita sa olovom iz Zemljine kore i, na osnovu izmerenog odnosa poluraspada, preračunaju starost meteorita, odnosno planete Zemlje.
Prvi eksperimenti nisu išli kako je planirano. Rezultati merenja poluraspada olova i uranijama su bili haotični i kontradiktorni. Nije bilo načina da se izmere čiste vrednosti. Savremeni uzorci vazduha, vode i tla sadržavali su ogromne količine olova u poređenju sa prirodnim nivoima iz geološke prošlosti. Nivo je bio stotinama puta veći. Paterson je zaključio da je kontaminacija olovom iz spoljne sredine bila svuda: u instrumentima, u vazduhu, pa čak i u samim rukama ljudi koji rade u laboratoriji.
Odakle je dolazilo svo to olovo?
Sredinom 20. veka „moderno” društvo ponosilo se industrijskim napretkom, automobilima, avionima i masovnom proizvodnjom. A u središtu tog sveta bilo je olovo. Ono je tada postalo nevidljivi saputnik svakog savremenog čoveka, jer se dodavalo svuda: u boje, u cevi za vodu, u farbe za zidove – ali najveća i najopasnija upotreba dolazila je iz automobilske industrije.
Tokom prve polovine 20. veka, automobili su imali problem sa detonacijom motora (engine knocking). Da bi to rešili, hemijski inženjeri su u gorivo dodali olovni aditiv, tetraetil olovo. Time su postigli tiši rad motora i veću efikasnost. Mislili su da je problem rešen. Inženjeri jesu uklonili buku, ali su je zamenili tišinom „otrova”.
Prva čista soba
Da bi rešio problem, Paterson je smislio nešto revolucionarno – da izgradi pravu „cleanroom” laboratoriju, prostor potpuno čist i izolovan od spoljne i unutrašnje kontaminacije. Unutra bi mogao da izmeri stvarne količine olova u uzorcima meteorita i zemaljskog materijala.
Paterson se zatvara sam u svoju laboratorijsku sobu, ne dozvoljava nikome da uđe i opsesivno je čisti od poda do plafona, a onda se oblači u posebno sašivene „zeka kombinezone”. Razmišljao je: „Ako ne mogu da pobedem neprijatelja na njegovoj teritoriji, onda ću stvoriti teritoriju gde on ne može da postoji.“ Shvatio je nešto što drugi nisu znali – u ratu protiv kontaminacije, nema kompromisa. Ili si apsolutno čist, ili si poražen. Tu je počela prva bitka u ovom ratu protiv olova, nevidljivog neprijatelja koji je napao ceo svet, a da toga niko nije bio svestan.
1952. godine Paterson se premešta na univerzitet u Kaltehu – Pasadena, Kalifornija, gde je konačno mogao da postane arhitekata prve čiste sobe u istoriji nauke. Za razliku od Čikaga, gde je Paterson morao da se prilagođava postojećim prostorijama, na Kaltehu je mogao da diktira standarde konstrukcije koji će sprečiti ulazak kontaminacije. Iako je Pasadena takođe imala problem sa smogom, nova zgrada laboratorije bila je projektovana tako da bude fizički izolovana od spoljnih uticaja na način koji u starim zgradama u Čikagu nije bio moguć.
Ključne karakteristike Patersonove radikalne metode za analizu metala u tragovima bile su:
Kontrola vazduha
- Potpuno hermetički izolovana prostorija
- Ulazni vazduh kroz metalne ventilacione kanale
- Efikasni filteri za vazduh
- Nadpritisak u prostoriji tako da vazduh ide samo van kroz otvore na vratima i prozorima
- Inertni gas (azot) za sušenje i zaštitu uzoraka
Konstrukcija i materijali (bez metala)
- Zamenio je svu metalnu opremu predmetima od teflona, kvarca i pirex stakla
- Stolovi i digestori bili su od ogledalski poliranog nerđajućeg čelika
- Površine su bile premazane posebnim epoksidnim smolama koje ne odaju čestice
Kontrola reagensa – hemijska dekontaminacija
- Sve kiseline i hemikalije destilovane u laboratoriji
- Ultra-čista voda iz ručno napravljenog kvarcnog destilatora koji je zauzimao skoro celu prostoriju
- Rigorozni protokoli pranja (svaka posuda morala je da se „kuva” u koncentrovanoj azotnoj kiselini nedeljama kako bi se isprali i najsitniji atomi olova zarobljeni u mikroporama materijala).
Kontrola osoblja
- Zabrana ulaska u običnoj odeći
- Izolacija opreme i uzoraka
- Ekstremna higijena rada
Godine 1956., iz svoje ultra-čiste baze, Paterson je konačno izašao u javnost sa izmerenim rezultatima starosti Zemlje: 4.55 milijarde godina. Bio je to prvi veliki trijumf cleanroom tehnologije. Sam Paterson je čak rekao: „Bio sam prisiljen da napravim clean lab, jer ga niko drugi nije imao.” Pošto nije bilo takvih uslova na drugim mestima, niko nije ni mogao da testira i potvrdi njegove rezultate.
To nije bila čista soba ista kao današnje čiste sobe, ali jeste bila prva „ultra čista hemijska laboratorija” sa hiljade puta čistijom zonom od obične sobe. Današnje čiste sobe su standardizovani i klasifikovani prostori sa laminarnim strujanjem sterilnog vazduha od plafona do poda, što Paterson tada nije imao, ali rezultati njegovog merenja starosti Zemlje i danas važe.
Iako su se čiste sobe razvijale paralelno u vojnoj industriji (za žiroskope i nuklearno oružje) i u bolnicama, Patersonov doprinos je bio u hemijskoj čistoći vazduha, a ne samo u broju čestica.
Danas se u dizajnu čistih soba koriste parametri koje je on praktično definisao:
- HEPA/ULPA filtracija: Patersonovi rani filteri su bili preteča onoga što danas klasifikujemo kao H14 ili U15 standarde.
- Laminarni protok: Iako je Vilis Vitfild 1962. godine zvanično patentirao laminarni protok, Paterson je prethodno koristio usmereno kretanje vazduha da zaštiti uzorke.
- Protokoli za osoblje: On je bio pionir korišćenja posebnih odela i maski, shvatajući da je čovek najveći emiter zagađenja.
- Bez Patersonovih metoda, moderna mikroelektronika bi bila nemoguća. Kada je industrija čipova prešla na nanometarske procese, nivoi dozvoljene kontaminacije pali su na vrednosti koje je on prvi postigao 1950-ih.
- Njegov rad je direktno doveo do uvođenja Cleanroom klasa ISO 1- ISO 9 (ISO 14644), gde se danas u vrhunskim laboratorijama toleriše manje od 10 čestica veličine PM0.1 po kubnom metru vazduha.
Olovno doba – borba za čistiju planetu
Međutim, ovo je tek početak drugog dela priče koja se pretvara u triler. Kada je Kler Paterson počeo javno da govori o opasnostima kontaminacije olovom i medicinari počeli da otkrivaju da su u krvi dece pronađene količine olova znatno iznad dozvoljenih granica, usledio je snažan otpor naftne industrije koja je tvrdila da je olovo u benzinu bezbedno. Pokušavali su da diskredituju Patersonovo rezultate, a on sam bio je skrajnut u naučnim krugovima.
Ipak, sedamdesetih godina, njegova istraživanja postala su temelj za zabranjivanje olovnog benzina u SAD. Ubrzo su i druge zemlje počele da slede taj primer. Za samo nekoliko godina, koncentracija olova u krvi dece u Americi pala je za više od 80%.
Olovu je trebalo malo da uđe, ali mnogo da izađe – taložilo se u kostima i mozgu, utičući na razvoj nervnog sistema kao tih i podmukao otrov koji ne izaziva simptome odmah, ali menja sudbinu čitavih generacija.
Olovo je dragocen pokazatelj starosti Zemlje, ali i ozbiljan uzročnik zagađenja na Zemlji, a posledično i zdravstvenih problema ljudi. Zato je Patersonov dug naučni put – 10 godina za izračunavanje starosti Zemlje i još preko 20 godina borbe protiv naftne industrije, bio višestruki dobitak za čovečanstvo, od čiste sobe i kontrole kontaminacije do globalno čistijeg okruženja. Kler Paterson nikada nije dobio Nobelovu nagradu za svoj rad, ali treba da se zna da su njegova borba i rad spasili milione života.
