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Des astrophysiciens spécialistes de la matière noire inventent un respirateur bon marché contre le Covid-19

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Un jour, quand on vous demandera ce que vous avez fait pendant la pandémie de COVID-19, la plupart d’entre nous auront des réponses peu impressionnantes : vous avez regardé Netflix, vous avez cuisiné, vous avez joué de la guitare, vous avez survécu.

Quelques-uns d’entre nous, cependant, auront des histoires étonnantes à raconter, comme les médecins et les infirmières sont en guerre pour sauver des vies. Et puis il y aura aussi ces scientifiques qui ne peuvent pas entrer dans leurs laboratoires et qui ont entrepris des projets parallèles étonnants.

C’est le cas de Cristiano Galbiati, un physicien de l’université de Princeton, qui, avec l’aide de plus de 100 scientifiques d’Italie, de France, du Canada et des États-Unis, a créé un prototype de respirateur qui peut être assemblé assez facilement avec des pièces pour la plupart disponibles sur le marché. Le dispositif ne coûte que quelques centaines d’euros, contre les dizaines de milliers que coûte habituellement un tel dispositif, et des plans sont en cours pour le produire en volume.

 

Cristiano Galbiati

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De la matière noire au respirateur

Il s’agit d’un projet développé alors que Galbiati a été mis en quarantaine à Milan, en Italie. Une “ruée mondiale” a éclaté entre les pays pour récupérer ces dernières semaines des fournitures médicales, rapports The Financial Times. Bien qu’il y ait des désaccords sur la quantité de respirateur à utiliser pour lutter contre le COVID-19, il y a globalement une grave pénurie de dispositifs.

Galbiati et son équipe ont proposé un plan appelé “Mechanical Ventilator Milano“, ou MVM, un appareil qui est “conçu pour être simple, bon marché et facilement réparable”. Il est décrit dans un article publié le 27 mars sur MedRxiv.

Depuis des années, Galbiati et ses collègues du monde entier s’efforcent de détecter la “matière noire”, un nuage de matière hypothétique qui pourrait constituer la grande majorité de la masse de l’univers, mais dont la nature reste un mystère.

Confinés mais avec des idées !

Normalement, Galbiati et ses collègues se concentrent sur ce projet appelé Global Argon Dark Matter Collaboration. Créé en 2017, le collectif de scientifiques construit depuis deux ans un détecteur de matière noire appelé “DarkSide-20k”. Profondément enfoui sous terre, il sera protégé des particules radioactives qui bombardent la surface de la terre et qui rendent la matière noire difficile à trouver. (Plus d’informations sur le site web DarkSide.)

Mais Galbiati et ses collègues ont fait une pause dans ce travail alors que l’Italie était confinée. Ils ont rapidement réalisé qu’il y a un chevauchement important entre leur travail sur la matière noire et les respirateurs, a t-il dit à ZDNet via un échange de courrier électronique.

“Alors qu’il était en quarantaine pour le virus Covid-19 à Milan, en Italie, Cristiano Galbiati a perçu la nécessité de disposer de respirateurs supplémentaires au début de la pandémie”, a déclaré le groupe MVM dans un communiqué. La recherche de matière noire “comprend l’expérience des systèmes de manipulation des gaz et des systèmes de contrôle complexes – les mêmes capacités requises dans les respirateurs des hôpitaux”.

 

Schema du MVN.

Des mécanismes précis pour purifier plusieurs tonnes de gaz

En effet, concevoir un respirateur semble être une promenade de santé par rapport à ce que Galbiati et ses collègues ont conçu pour installer leur site sous terrain sous les montagnes du Gran Sasso au centre de l’Italie. L’ensemble du projet a été décrit dans un document de 2017.

En voici les grandes lignes. Pour détecter la dispersion des particules qui pourraient être de la matière noire, les scientifiques construisent un réservoir en acier inoxydable de quinze mètres de haut et de quinze mètres de diamètre. À l’intérieur, une capsule appelée “chambre de projection temporelle”, contenant le détecteur lui-même, se trouve à l’intérieur d’une autre chambre, appelée cryostat, qui possède un système élaboré de tuyauterie pour conduire l’argon et l’azote liquides et gazeux dans et hors d’une série de compartiments.

 

Pour détecter la dispersion des particules qui pourraient être de la matière noire, les scientifiques construisent un réservoir en acier inoxydable de quinze mètres de haut et de quinze mètres de diamètre. À l’intérieur, une capsule appelée “chambre de projection temporelle”, contenant le détecteur lui-même, se trouve à l’intérieur d’une autre chambre, appelée cryostat, qui possède un système élaboré de tuyauterie pour conduire l’argon et l’azote liquides et gazeux dans et hors d’une série de compartiments.

Galbiati et son équipe ont dû concevoir des mécanismes précis pour purifier plusieurs tonnes de gaz et le maintenir en circulation à des niveaux de pression spécifiques, ce qui implique également de spécifier les tolérances de nombreux composants qui doivent être fournis pour assembler le tout.

Reprendre les bases de l’anesthésie

A côté de cela, construire un respirateur est plus simple. Mais cela présente encore des difficultés. Les respirateurs sont des “machines compliquées” qui ne peuvent pas être “créées ou fabriquées rapidement”. Cela est décrit par le Dr Howard Greller de l’hôpital St. Barnabas du Bronx, à New York, dans une vidéo publiée par le The Washington Post. Le MVM est donc conçu pour être un antidote à cette complexité.

Les respirateurs sont apparus dans la pratique de l’anesthésiologiste au milieu du siècle dernier. Pas plus tard que lors de la Seconde Guerre mondiale, un anesthésiste devait presser un sac pour faire pénétrer des médicaments anesthésiques dans les poumons d’un patient. À partir des années 1940, divers dispositifs ont été mis au point pour automatiser cette opération.

Les créateurs du projet Milano s’inspirent d’une conception particulière, introduite en 1961 par un anesthésiste britannique du nom de Roger Manley, qui se distinguait par sa simplicité. Le “respirateur Manley”, comme on l’appelait, avait la particularité de ne pas nécessiter de source d’énergie, mais d’être alimenté par le gaz introduit dans le patient.

Arduino et Rasperry Pi à la manoeuvre

Galbiati et ses collègues ont fait preuve d’une ingéniosité considérable pour réaliser une version moderne du dispositif de Manley. Leur conception ressemble à une réduction élégante des éléments de fonctionnement du détecteur de matière noire : des valves pour contrôler le flux d’air et d’oxygène dans le patient et pour évacuer le dioxyde de carbone, des capteurs pour surveiller la pression et un système de contrôle pour commander les valves et les capteurs.

L’unité de commande elle-même est composée de trois cartes de circuit imprimé : une carte de microcontrôleur compatible Arduino, une carte d’entrée-sortie fonctionnant sur une puce Raspberry Pi et une carte “hub” customisée conçue et prototypée par les collègues de Galbiati au National Science Laboratory à Gran Sasso. L’équipe a mis au point un système de gestion à distance des respirateurs dans le cloud lorsqu’une connexion WiFi est activée pour le respirateur.

M. Galbiati et ses coéquipiers écrivent que l’ensemble du respirateur peut être assemblé “sur la base d’un petit ensemble d’instructions claires”, tandis que le logiciel permettant de faire fonctionner l’unité de commande est open-source et peut être installé via un processus “simple”. Une série de vidéos sur YouTube postées par Galbiati montre le système en cours de test.

De multiples initiatives

Le groupe a soumis le plan de la machine à des organismes de réglementation pour approbation en Europe (ISS) et aux Etats-Unis (FDA). Reste que le délai d’approbation peut être important. L’équipe du MVM travaille avec des “membres de l’industrie” et des “entreprises canadiennes et américaines” pour construire une première série de machines. Ils ont refusé d’identifier les parties, sauf pour Elemaster S.p.A..

Le MVM n’est pas le seul effort d’innovation. Les initiatives semblent surgir de partout. Le Massachusetts Institute of Technology, par exemple, dispose de plans open source pour un respirateur nommé E-Vent, inventé à l’origine en 2010, et a construit un prototype, comme l’a indiqué ZDNet. M. Galbiati et son équipe ont refusé de commenter les différences entre leur système et le E-Vent, déclarant : “Les respirateurs sont très nécessaires. Nous souhaitons à tous ceux qui les développent de réussir”.

La bataille pour les ressources suggère qu’un certain nombre d’initiatives trouveront une opportunité si elles peuvent être construites en volume. Étant donné l’expérience de Galbiati et de ses collègues avec les instruments les plus complexes du monde, il y a des raisons de croire qu’ils sont les mieux qualifiés pour y contribuer.

Vous pouvez les aider de différentes manières. Le collectif de Galbiati sur la matière noire est financé par de nombreuses institutions, dont la National Science Foundation des États-Unis et l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare d’Italie, mais le projet de respirateur a besoin de son propre financement. L’une des façons de faire un don est la page Go Fund Me du MVM, qui, à la date de jeudi, avait recueilli plus de 31 000 euros sur un objectif initial de 20 000 euros.

Si vous souhaitez apporter une contribution directe, la section financement du site web du MVM propose des options supplémentaires. Vous pouvez également envoyer un courrier électronique directement au courriel de contact principal de MVM.

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