Colector solar de luz ultravioleta para irradiación germicida en la luna

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 8326 (2023) Citar este artículo

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Se prevén misiones prolongadas con tripulación humana a la Luna como puerta de entrada a Marte y a la colonización de asteroides en las próximas décadas. Se han investigado parcialmente los riesgos para la salud relacionados con la permanencia prolongada en el espacio. Los peligros debidos a contaminantes biológicos transportados por el aire representan un problema relevante en las misiones espaciales. Una posible forma de realizar la inactivación de patógenos es empleando el rango de longitud de onda más corto de la radiación ultravioleta solar, el llamado rango germicida. En la Tierra es totalmente absorbido por la atmósfera y no llega a la superficie. En el espacio, dicho componente solar ultravioleta está presente y se puede lograr una irradiación germicida eficaz para la inactivación de patógenos en el aire dentro de puestos de avanzada habitables mediante una combinación de revestimiento interno altamente reflectante y geometría optimizada de los conductos de aire. El Colector Solar de Luz Ultravioleta para Irradiación Germicida en la Luna es un proyecto cuyo objetivo es recoger la radiación solar ultravioleta y utilizarla como fuente para desinfectar el aire recirculante de los puestos de avanzada humanos. Las posiciones más favorables para colocar estos colectores son sobre los picos de los polos de la Luna, que tienen la particularidad de estar expuestos a la radiación solar la mayor parte del tiempo. En agosto de 2022, la NASA comunicó que había identificado 13 regiones de aterrizaje candidatas cerca del Polo Sur lunar para las misiones Artemisa. Otra ventaja de la Luna es su baja inclinación con respecto a la eclíptica, lo que mantiene la altitud aparente del Sol dentro de un rango angular reducido. Por este motivo, la radiación solar ultravioleta se puede recoger a través de un colector de seguimiento solar simplificado o incluso de un colector estático y utilizarse para desinfectar el aire reciclado. Se han realizado simulaciones ópticas y de dinámica de fluidos para respaldar la idea propuesta. Se informan las tasas de inactivación esperadas para algunos patógenos transportados por el aire, ya sean comunes o encontrados en la Estación Espacial Internacional, y se comparan con la eficiencia propuesta del dispositivo. Los resultados muestran que es posible utilizar la radiación solar ultravioleta directamente para desinfectar el aire dentro de los puestos lunares y ofrecer un entorno de vida saludable a los astronautas.

Los programas de exploración espacial para el futuro próximo implican traer de vuelta a los humanos a la superficie de la Luna. En particular, el programa Artemis de la NASA tiene como objetivo llevar a la primera mujer y al próximo hombre a la Luna antes de 2024 para la primera misión a largo plazo1. Un objetivo establecido para diferentes agencias y organizaciones es colonizar la Luna y construir puestos de avanzada en la superficie lunar2. A más largo plazo, el objetivo es llevar seres humanos a Marte: los experimentos que se llevarán a cabo en la Luna servirán, en parte, para apoyar futuras misiones a Marte. La larga duración y la exploración de los vuelos espaciales tripulados plantean muchos desafíos importantes que exponen a los astronautas a entornos con riesgos inciertos y desconocidos para su salud. En cada fase de una misión se plantean peligros potenciales biológicos, químicos y físicos3,4,5,6. Actualmente, la Estación Espacial Internacional (ISS), con personal continuo desde que la primera tripulación residente ingresó a la instalación el 2 de noviembre de 2000, es el único entorno orbital para vivir y trabajar fuera de la atmósfera terrestre. Los estudios realizados en el interior de la ISS hacen referencia a posibles riesgos para la salud durante los vuelos espaciales7,8,9. En los próximos años se esperan publicaciones e informes de experimentos a bordo de la estación espacial china Tiangong, tripulada desde 202110. Se encuentran disponibles publicaciones de otras naves espaciales a corto plazo, como el transbordador espacial8,11. Entre las consideraciones para la salud, se plantean riesgos por la exposición a contaminantes ambientales, biológicos y químicos transportados por el aire a bordo de las naves espaciales, que podrían ser los mismos dentro de los módulos habitables de la futura Luna. Los contaminantes biológicos pueden estar relacionados con infecciones, alergias y efectos tóxicos. A pesar de que la mayoría de los microorganismos no amenazan la salud humana y probablemente desempeñarán un papel esencial (por ejemplo, remediación de desechos, purificación de agua y aire, fuentes de alimentos en misiones de larga duración), los microorganismos pueden producir efectos adversos en la salud de los miembros de la tripulación, debido en particular a la deficiencia del sistema inmunológico de los astronautas12 y cambios de las características moleculares y bioquímicas de los microorganismos13,14,15.

Para reducir la posibilidad de contaminación interior a bordo de naves espaciales, actualmente se toman medidas preventivas: controles de salud de los astronautas antes de la salida, vacunaciones, cuarentena, control microbiológico de los alimentos, control del material enviado a bordo, actividades de mejora de la higiene personal, desinfección ambiental7,11. Para la desinfección del aire se pueden utilizar diferentes dispositivos acoplados o no a sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). Entre los numerosos métodos de desinfección que se han desarrollado, nos centraremos en la Irradiación Germicida Ultravioleta (UVGI) a través de luz UVC (200-280 nm), que inactiva muchos microorganismos, como virus, bacterias, protozoos, hongos, levaduras y algas16. 17. Tras la absorción de UVC, las pirimidinas del ARN o el ADN se convierten principalmente en dímeros de pirimidina (pero también se rompe el enlace cruzado entre los ácidos nucleicos y las proteínas). Si la población de dímeros es suficientemente alta, se producen errores de transcripción que, en última instancia, dan como resultado la inactivación de la replicación de los microorganismos. La eficiencia de la irradiación UVC para inactivar microorganismos depende de varios factores, ya que la dosis requerida depende de los factores intrínsecos a los diferentes microorganismos de la luz UVC18,19,20. Además, la tasa de inactivación depende de la longitud de onda de la irradiación21, la distancia desde la fuente22, el tiempo de exposición23, la humedad relativa (HR)24,25 y una filtración adecuada del polvo26, que absorbe y dispersa la luz, protegiendo a los patógenos. En este marco, los autores han estado llevando a cabo estudios sobre dispositivos UVGI altamente efectivos que explotan el concepto de mejora de la densidad de potencia de las fuentes UVC dentro de un volumen (el conducto de aire) debido a una alta reflectividad de las superficies internas27,28,29,30 ,31. A diferencia del agua, los componentes del aire son muy transparentes en las longitudes de onda empleadas32 y la absorción de UVC por parte de los patógenos es mínima gracias a su bajísima concentración33. Dado que no se producen efectos secundarios, la dosis de luz UVC puede administrarse 'en trozos' después de cualquiera de los numerosos reflejos internos, según la ley de Bunsen y Roscoe34. A diferencia de las aplicaciones terrestres, donde las fuentes UVC son artificiales (por ejemplo, lámparas de vapor de mercurio o LED), nuestra idea es utilizar, por primera vez, el componente UVC de la radiación solar directamente como fuente35 para la desinfección del aire dentro del módulo habitable de los puestos de avanzada lunares36. El colector solar de luz ultravioleta para irradiación germicida en la Luna (SAILOR Moon) es un proyecto en el que el componente UVC de la radiación del Sol se recoge y se convierte en la fuente de UVGI, posible gracias a la peculiaridad de los polos de la Luna en relación con la exposición prolongada a la luz solar. . Al explotar la potencia mejorada dentro del conducto de aire producida por superficies internas altamente reflectantes, es posible obtener suficiente potencia para inactivar eficazmente los patógenos transmitidos por el aire. Los objetivos del estudio fueron demostrar, aunque mediante simulaciones, que es posible obtener una inactivación eficaz de patógenos utilizando únicamente la banda UVC de la radiación solar. Además, hemos introducido un nuevo concepto de concentrador solar estático para una aplicación específica en los polos de la Luna, que parece muy eficaz. Esperamos ofrecer una posible alternativa a los sistemas de desinfección actuales o propuestos para módulos lunares habitables y, más en general, para misiones humanas prolongadas en el espacio exterior. El presente artículo está organizado de la siguiente manera: se ofrece una descripción de los peligros potenciales para la permanencia a largo plazo en el espacio y una breve revisión de los patógenos encontrados a bordo de la ISS. Luego, se describen las condiciones de irradiancia solar en la Luna y el concepto SAILOR Moon, y se informa el desempeño de la eficiencia de inactivación del patógeno mediante simulaciones ópticas y CFD. Los resultados de la simulación se comparan con la dosis de UV requerida para algunos patógenos transmitidos por el aire. Si bien el objetivo de este artículo es presentar una idea novedosa a la comunidad científica, el estudio se realizó asumiendo algunas simplificaciones del modelo, descritas al final de la Sección “Resultados y discusiones”.

Los riesgos potenciales para la salud durante los vuelos espaciales incluyen consecuencias para la salud a corto plazo por estar en microgravedad (p. ej., náuseas, visión borrosa), así como consecuencias para la salud a largo plazo que surgen o continúan meses o años después de un vuelo (p. ej., cánceres inducidos por la radiación, pérdida de masa ósea)6,12. Los astronautas se encuentran durante mucho tiempo en condiciones de microgravedad y están expuestos a comprometer su sistema inmunológico. La microgravedad determina la alteración de la distribución de los leucocitos circulantes, la producción de citocinas, la función de las células Natural Killer y T, la función de los granulocitos, los niveles de inmunoglobulinas, la inmunidad viral específica y una mayor reactivación de virus latentes14,37,38,39, 40,41,42. Además, los astronautas están expuestos a la alteración de la población microbiana comensal, la reducción de la presencia de microorganismos anaeróbicos y el aumento de bacterias gramnegativas aeróbicas y estafilococos en la piel, el tracto respiratorio superior y el colon43,44,45,46,47,48. Además, existen alteraciones ambientales que modifican la replicación y virulencia de los microorganismos, como un mayor crecimiento exponencial, mayores concentraciones mínimas inhibidoras hacia las diversas clases de agentes antimicrobianos, una mayor formación de biopelículas y una mayor supervivencia dentro de los macrófagos14,15,49,50,51 ,52,53. En estas condiciones, todos los microorganismos deben considerarse potencialmente patógenos para los humanos. Los microorganismos también pueden determinar el daño a los materiales; Los estudios realizados en Mir y la ISS indicaron que algunos equipos y materiales estructurales eran propensos a la acumulación y proliferación de bacterias y hongos biodestructivos54,55. Se pudieron observar daños en polímeros y metales. Esto resultó en mal funcionamiento e incluso rotura de unidades específicas, por ejemplo, acondicionadores de aire, sistemas de reciclaje de agua, etc., y degradación de los materiales críticos de la nave espacial, lo que puede resultar en fallas del sistema y poner en peligro a las tripulaciones7. Sólo en raras ocasiones se han informado infecciones de miembros de la tripulación o problemas de salud relacionados con la acción patógena de microorganismos56. Los tripulantes son la fuente primaria de microorganismos, capaces de eliminar numerosas partículas (potencialmente portadoras de agentes biológicos) en el ambiente tanto mediante la descamación de la piel como mediante los actos de tos, estornudos, hablar, respirar, etc., en un ambiente hecho más complejo por microgravedad42,44,57,58,59,60,61,62 y la imposibilidad de intercambio con aire primario. Los datos obtenidos del Apollo39, Skylab8, el transbordador espacial50 y la estación espacial rusa Mir40,49 confirman que los entornos espaciales son compatibles con la ocupación humana. Sin embargo, las cargas biológicas, los vehículos de reabastecimiento, el hardware y los suministros, y los alimentos o el material vegetal son fuentes adicionales de microorganismos63.

Los microorganismos están omnipresentes en todos los módulos habitables de las naves espaciales47,50 y, en entornos cerrados en condiciones de microgravedad, se propagarán por todas partes durante mucho tiempo7,9,54,64.

La biocontaminación ambiental de la ISS ha sido objeto de seguimiento desde sus primeros días de construcción y ha estado bajo vigilancia desde su primera ocupación. El principal énfasis se ha puesto en la calidad del aire y la contaminación superficial de las estructuras internas8,65,66. Monitorear la comunidad microbiana a bordo de la ISS es esencial para evaluar los factores de riesgo para la salud de los miembros de la tripulación y evaluar la integridad material de la nave espacial8,65,66. Desde el inicio de la ISS, el monitoreo microbiano rutinario de superficies, aire y agua se ha realizado mediante técnicas basadas en cultivos11,67. Sin embargo, sólo una pequeña fracción de los organismos puede detectarse mediante análisis basados ​​en cultivos, lo que limita la comprensión de la diversidad de los microbios67. Por lo tanto, se están desarrollando métodos moleculares para su uso en la ISS, como la reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa (qPCR) y la secuenciación de amplicones dirigida, que pueden identificar y cuantificar organismos tanto cultivables como no cultivables y proporcionar una evaluación más exhaustiva de lo que está presente y en qué cantidades61,68,69,70,71. De todos modos, el monitoreo microbiano de la ISS con métodos moleculares no se utiliza de manera rutinaria debido a la falta de instrumentos de procesamiento de muestras simples, compactos y confiables a bordo de la ISS65,66,67,68. Además, se han aplicado nuevos enfoques (es decir, secuenciación de nueva generación-NGS, proteómica, PCR en tiempo real) que se ocupan del seguimiento en tiempo real61,68,69,70,71. En este concurso podremos aprovechar el conocimiento en instalaciones sanitarias, quirófanos, industria farmacéutica, alimentaria y electrónica, y patrimonio cultural, apoyados en experiencias previas en naves espaciales, misiones MIR e ISS11,65,66,72,73 ,74,75 y, también, en la base antártica periódicamente confinada Concordia, donde el confinamiento prolongado de la tripulación resultó en un aumento de la contaminación aérea asociada a la actividad humana76,77. No se encontró que el microbioma de la ISS fuera estable en composición y diversidad, aunque un microbioma central persiste en el tiempo independientemente del microbioma individual de la tripulación. También se han encontrado todos los géneros de microbiomas centrales en muestras de polvo de la ISS de 2004 y 2008, así como en otros estudios de microbiomas de la ISS, lo que indica que este microbioma central está efectivamente establecido a bordo de la ISS56. Además, un metanálisis basado en la genómica demostró que, aunque los pangenomas de Bacillus y Staphylococcus aislados de la EEI diferían de sus homólogos terrestres, estas diferencias no parecían amenazar la salud78. Las especies bacterianas que se encuentran en la EEI están más asociadas con el microbioma oral y el tracto respiratorio superior humano61. La fuente principal de hongos en el aire pueden ser alimentos o material vegetal. Los principales filos bacterianos detectados a bordo de la ISS en el aire y en las superficies, ya sea mediante cultivo o métodos moleculares, fueron Staphylococcus (Firmicutes), Corynebacterium y Propionibacterium (Actinobacteria)68. En los ensayos basados ​​en cultivos, las especies de Bacillus y Staphylococcus fueron las Firmicutes más detectadas, mientras que Staphylococcus dominó por completo las firmas afiliadas a Firmicutes detectadas mediante métodos moleculares. La razón más probable de esta discrepancia observada podría ser la incapacidad de los protocolos estándar de aislamiento de ADN para abrir las esporas adecuadamente79. Bacterias pertenecientes al Staphylococcus sp. El género se aisló en el 84% de las muestras de superficie; los dos segundos géneros más identificados fueron Bacillus sp. (31,7%) y Corynebacterium sp. (9,4%)65. Las especies predominantes encontradas en las superficies fueron Staphylococcus auricularis, S. epidermidis (22,4%)9. Bacillus sphaericus y S. hominis, encontrados en 23,4%, 22,4%. 12,1 y 9,3% de los casos, respectivamente. También se aislaron especies con comportamiento patogénico oportunista (B. cereus, Eikenella corrodens y S. aureus)9. Además, se detectaron Flavobacterium indologenes, Pseudomonas putida y Xanthomonas malthophila, que pueden causar biodeterioro de los materiales43,44. En cuanto a los hongos, se detectó una mayor abundancia de Aspergillus y Penicillium a bordo de la EEI mediante cultivo o mediante el uso de otros métodos de detección65,79,80. Dentro del módulo Kibo japonés de la ISS, después de un año de operaciones, no se detectó Penicillium sino Malassezia asociada a la piel81. Aspergillus sp., Penicillium sp. y Saccharomyces sp. fueron los géneros más comunes. Algunas muestras contenían A. versicolor y Cladosporium sp. son conocidos por su capacidad para colonizar polímeros naturales y sintéticos. Inevitablemente, la EEI también albergará un número desconocido de microorganismos65. En cuanto a la contaminación viral, una revisión reciente42 reporta 72 géneros de virus diferentes identificados, de 21 familias, incluidos los que contienen patógenos humanos. También vale la pena señalar que el análisis metagenómico se realizó solo en el subconjunto agrupado de muestras ambientales con una longitud promedio de lecturas de 126 pb; por lo tanto, es posible que se hayan pasado por alto algunos virus durante el estudio42. Además, los genomas virales están infrarrepresentados en las bases de datos genómicas que asignan secuencias, por lo que una parte importante puede permanecer sin identificar42. Se distribuyeron lecturas similares a los virus animales en 33 géneros, 13 de los cuales se sabe que infectan a los humanos y causan enfermedades de diversa gravedad, incluida una variedad de herpesvirus, que establecen latencia y pueden sufrir reactivación8. Los virus patógenos estaban presentes en escasa abundancia y era poco probable que causaran problemas de salud importantes en misiones espaciales de corta duración, incluso en condiciones desfavorables para un sistema inmunológico sano. Sin embargo, aún se desconoce su impacto en las misiones a largo plazo8,82. La Tabla 3 muestra algunos microorganismos transportados por el aire. Las dosis de inactivación requeridas, reportadas en la literatura para todos los microorganismos considerados, se han considerado referencia al dimensionar el sistema y calcular su desempeño higienizante mediante simulaciones.

La irradiancia solar fuera de la atmósfera terrestre se ha medido en el marco del instrumento SOLar SPECtrometer (SOLSPEC)83 de la carga útil SOLAR a bordo de la ISS. La Figura 1 muestra la irradiancia espectral extraída del archivo de datos SOLSPEC en toda la banda UV (200–400 nm). Según Biasin et al.84 y Beck et al.85, se puede considerar que la región espectral entre 240 y 280 nm tiene la misma eficacia germicida. A menor longitud de onda se supone que es la misma86,87, pero no se ha considerado en las simulaciones de eficiencia de SAILOR Moon debido a la formación de ozono dentro de los conductos de aire, que es tóxico88. Hemos considerado solo el ancho de banda de 240–280 nm, con una irradiancia integrada de 0,5 \(\textrm{mW}/\mathrm{cm^2}\), para los cálculos de eficiencia del UVGI. En las bandas UVB (280–320 nm) y UVA (320–400 nm), la eficiencia de la desinfección disminuye pero la irradiancia solar aumenta. Por lo tanto, podríamos esperar un efecto que valga la pena explotar. Además, los estudios sugieren que una combinación sinérgica de UVC y una longitud de onda más larga podría aumentar la tasa de inactivación89,90, pero esto se deja para investigaciones futuras.

Irradiancia solar espectral en la banda ultravioleta del SOLar SPECtrometer a bordo de la ISS. La parte roja de la curva es el ancho de banda UVC reducido utilizado para las simulaciones de eficiencia de SAILOR Moon, ya que la formación de ozono dentro del conducto de aire se produciría para la luz con \(\lambda<\) 240 nm.

La elección de la Luna para el dispositivo propuesto se debe a su baja oblicuidad con respecto al plano de la eclíptica, aproximadamente 1,5\(^\circ \). Esto significa que en latitudes polares, la elevación máxima que puede alcanzar el Sol es 1,5\(^\circ \). Por lo tanto, se cree que los polos albergan, dentro de los cráteres, regiones permanentemente en sombra donde el hielo de agua podría haber quedado atrapado (ver, por ejemplo, Hayne et al.91 y las referencias aquí). El porcentaje de luz solar que recibe un área determinada depende, de hecho, de la inclinación del eje de giro y de la topografía de la región92. Debido a la necesidad y el interés en establecer una base lunar cerca de donde se puede encontrar hielo de agua, se han dedicado extensos estudios para comprender si las características topográficas están asociadas con una iluminación solar lo suficientemente prolongada en las mismas regiones93 para garantizar operaciones robóticas y tripuladas por humanos. . Los datos obtenidos especialmente por las misiones Kaguya94 y LRO95,96,97 confirmaron la existencia de los llamados “picos de luz eterna”, llamados así en 1880 por Flammarion92: [francés/inglés] Aux pôles lunaires (où l'on ne voit d'ailleurs ni neiges ni glaces), il ya des montagnes si étrangement situées, que leur cime ne connaît pas la nuit; jamais le Soleil ne s'est couché pour elles! On peut les appeler les montagnes de l'éternelle lumière / En los polos lunares (donde efectivamente no podemos ver nieve ni hielo), hay montañas situadas de manera tan extraña que su cima no conoce la noche; ¡El sol nunca se ha puesto para ellos! Podemos llamarlos las cimas de la luz eterna”. Son bordes de determinados cráteres y crestas iluminadas durante gran parte del año. Las estimaciones precisas se obtienen considerando la baja oblicuidad (y, por tanto, las insignificantes variaciones estacionales), la topografía de las características de los polos y la precesión axial lunar (el eje de giro gira en aproximadamente 18,6 años). Según Gläser et al.97, los mejores candidatos en términos de porcentaje de iluminación promedio durante 20 años en el Polo Norte son los bordes orientados hacia el ecuador de los cráteres Hinshelwood, Peary y Whipple, mientras que en el Polo Sur el cráter Shackleton y dos regiones del Cresta de conexión. El porcentaje correspondiente oscila entre aproximadamente el 70% y el 83%. El tiempo máximo a la sombra varía entre casi 100 horas y 335 horas. Estos valores son menos optimistas según Speyerer y Robinson98, quienes, sin embargo, analizaron un año. NASA36 ha seleccionado los siguientes 13 sitios en el Polo Sur como candidatos para un aterrizaje lunar de Artemis III: Faustini Rim A, Peak Near Shackleton, Connecting Ridge, Connecting Ridge Extension, de Gerlache Rim 1, de Gerlache Rim 2, de Gerlache-Kocher Massif , Haworth, Macizo de Malapert, Meseta Beta de Leibnitz, Nobile Rim 1, Nobile Rim 2 y Amundsen Rim. La elección se debió al hecho de que pueden garantizar un acceso continuo a la luz solar durante 6,5 días.

El proyecto SAILOR Moon es un estudio sobre un módulo de servicio de desinfección del aire recirculado, mediante radiación solar UVC, en el interior de los futuros módulos habitables lunares. Como se explicó en la sección anterior, los polos lunares son los lugares más favorables en el espacio exterior debido a la irradiación solar prolongada única y al rango limitado de la posición aparente del Sol alrededor del horizonte. Presentamos dos posibles concentradores de luz solar UVC, que producen la fuente germicida para el aire dentro de los módulos habitables. Hemos considerado dos captadores de luz solar: (i) un seguidor del Sol, que puede montarse en un mecanismo de seguimiento clásico; (ii) un colector estático. De acuerdo con la sección anterior, la ligera inclinación del eje de la Luna y la ubicación de posibles lugares de aterrizaje en las proximidades de los polos hacen que la posición aparente del Sol se limite a ± 2\(^\circ \) alrededor del horizonte, a lo largo del ángulo cenital. Considerando el tamaño angular del Sol (\(\approx \) 30 minutos de arco) y algunas contingencias, hemos considerado que los colectores de luz solar que se describen a continuación pueden recolectar luz en un rango de ± 3,5\(^\circ \) alrededor del horizonte. , ser conservador (es decir, precisión de puntería).

En el momento de escribir este artículo, no existen requisitos para el flujo de aire o el tamaño de los conductos de aire para los hábitats lunares. Los únicos datos disponibles se refieren al ISS99, en cuanto al flujo de aire del aire recirculante (460 \(\mathrm{m^3}/\textrm{h}\)) y el diámetro del conducto de aire (14 cm). Estas dos cantidades se han utilizado como parámetros de simulación. Los demás parámetros, enumerados en la Tabla 1, se han elegido arbitrariamente pero se consideran razonables. De todos modos, los resultados de eficiencia, mostrados en la Sección “Resultados y discusiones”, pueden escalarse linealmente (con el área de recolección, por ejemplo), o se darán algunas indicaciones sobre la tendencia de la eficiencia con variaciones de parámetros.

La solución óptica más sencilla para un concentrador de luz eficiente de una fuente en movimiento es un pequeño concentrador de campo de visión (FoV) con un mecanismo de seguimiento. El diseño presentado en la Fig. 2 representa un posible ejemplo de configuración óptica sin pretender ser la solución más eficiente. Se considerarían otros diseños en el caso de investigación para la implementación real del dispositivo.

Diseño propuesto para un posible concentrador de seguimiento del Sol: Telescopio tipo Ritchey-Chrétien. Un espejo plano terciario detrás de la apertura del telescopio compensa las variaciones del ángulo cenital y mantiene el plano focal fijo sobre la ventana de cuarzo del conducto de aire.

El concentrador presentado es un telescopio de dos espejos tipo Ritchey-Chrétien con un FoV de 1\(^\circ \) (el diámetro aparente del Sol es de aproximadamente 0,5\(^\circ \)). El soporte del telescopio tiene similitudes con los soportes del radiotelescopio ya que el objetivo principal es la concentración de la luz, no la calidad óptica en el plano focal. El único requisito sería que la posición, el tamaño y la forma de la imagen del Sol pasen a través de una ventana de cuarzo, sean transparentes a todo el rango UV100 y se conviertan en la fuente de desinfección del aire dentro del conducto de aire. Dos rotadores motorizados siguen el movimiento aparente del Sol. Se supone que el rango de rotación del ángulo cenital es de ± 3,5\(^\circ \) alrededor del horizonte, lo que permite que un espejo terciario giratorio plano (M3) compense el desplazamiento del plano focal debido a la variación del ángulo de declinación para ofrecer la imagen del Sol en la misma posición sobre la ventana de cuarzo. El mecanismo de compensación M3 podría ser un simple sistema de palanca de pantógrafo. La tasa de variación de los ángulos azimutal y cenital es lo suficientemente lenta como para no considerarse un problema para el seguimiento del Sol (menos de 0,5 \(\mathrm{deg/h}\)). Un simple sensor solar sería suficiente para mantener la fuente dentro del FoV del telescopio, y un mecanismo de seguimiento escalonado simplificaría el sistema en cuanto al control del ciclo de trabajo. Dispositivos apuntadores aún más precisos no serían un problema si el objetivo del concentrador fuera ofrecer un plano focal de mayor calidad óptica. Una imagen del Sol más estable permitiría acoplar un haz de fibras ópticas y transportar la luz ultravioleta a mayores distancias del concentrador, en caso de que los conductos de aire estuvieran lejos del concentrador o para diferentes aplicaciones (desinfección de agua o superficies). Esta opción va más allá del objetivo del artículo y no se ha investigado en detalle. Se considera que los espejos del telescopio tienen una alta reflectividad R. Un posible material podría ser Alanod MIRO UV C101, que tiene \(R>0,9\) en el rango UVC y en longitudes de onda UV más largas, con una superficie lisa para evitar la luz dispersa. Otra solución más costosa es la deposición de un recubrimiento multicapa optimizado para UVC.

La peculiaridad de los polos lunares en cuanto a la posición aparente del Sol hace posible el uso de un concentrador estático, capaz de recoger la radiación solar durante todo el período de exposición, gracias al reducido desplazamiento angular cenital de la posición del Sol.

Las dos imágenes de la Fig. 3 muestran el diseño conceptual de un concentrador anular. La luz del sol entra en el conducto de aire de color rojo a través de la ventana de cuarzo, que también tiene forma anular. Las secciones de entrada y salida del conducto de aire están dirigidas hacia abajo ya que se supone que el concentrador debe colocarse encima de los módulos habitables para evitar sombras. La luz dentro del conducto de aire sufre múltiples reflejos hasta que es absorbida por las superficies internas o sale del conducto a través de la ventana. Las simulaciones de trazado de rayos realizadas con Zemax OpticStudio® (consulte la sección "Simulaciones ópticas" a continuación) muestran que más de la mitad del volumen interno del conducto está lleno de luz solar UVC. El concentrador estático tiene el perfil externo de un concentrador parabólico compuesto (CPC) 102, un concentrador de luz sin imágenes ampliamente utilizado para calentar agua y generar energía. Todos los rayos de luz que ingresan a la apertura de entrada del CPC con un ángulo menor que el ángulo de aceptación \(\theta \) son reflejados por las superficies parabólicas dentro del área de la apertura de salida (Fig. 4). Las dimensiones del dispositivo, enumeradas en la Tabla 1, se pueden derivar fácilmente utilizando el "principio del rayo de borde" aplicado al diseño del CPC, descrito en Tian et al.103. En la abertura anular de salida del CPC, una carcasa cilíndrica de cuarzo actúa como ventana de entrada para la radiación solar UVC al filtro anular UVC. Si la ubicación del puesto de avanzada estuviera precisamente en el polo lunar, el concentrador anular tendría su eje de simetría horizontal. Las dos parábolas podrían tener ejes con diferentes ángulos de aceptación para interceptar todos los rayos del sol dependiendo de la ubicación exacta del puesto de avanzada.

Diseños esbozados del concentrador parabólico compuesto anular para concentración de luz solar UVC: vistas lateral y superior. La imagen del concentrador de seguimiento del Sol en la parte superior izquierda tiene el propósito de mostrar visualmente la escala de los dos sistemas. Se han elegido los dos tamaños de configuración para ofrecer una Fluence general similar, como se muestra en la Tabla 2.

El perfil externo del Concentrador Parabólico Compuesto anular. Los parámetros se refieren a la parte superior. El lado inferior tendría los mismos valores de parámetros en caso de un ángulo de aceptación simétrico entre los dos lados. Los valores de los parámetros se enumeran en la Tabla 1.

SAILOR Moon tiene como objetivo maximizar la eficiencia germicida de la radiación solar UVC dentro de los conductos de aire. La cantidad a maximizar es la Fluencia (F), también llamada dosis de UV, que se define como la energía radiante total desde todas las direcciones que pasa a través de una esfera infinitamente pequeña de área de sección transversal \(\delta \)A, dividida por \( \delta \)A, con unidades típicas de \(\textrm{mJ}/\mathrm{cm^2}\). La fluencia es igual a la irradiancia o tasa de fluencia (FR), con unidades estándar de \(\textrm{mW}/\mathrm{cm^2}\), multiplicada por el tiempo de residencia t de los patógenos dentro de una unidad de volumen. El concepto de filtro UVC se basa en el aumento FR dentro de una sección del volumen interno del conducto de aire debido a los múltiples reflejos de los rayos de luz, gracias a la implementación de materiales altamente reflectantes para recubrir las superficies internas del conducto. Los posibles materiales podrían ser Alanod con un sustrato grueso101, que tiene R > 0,9, o el politetrafluoroetileno (PTFE)104, que tiene un R = 0,95 a 275 nm y una distribución de dispersión lambertiana (todos los rayos incidentes se difunden con la misma probabilidad). en cualquier parte del semicírculo unitario independientemente del ángulo de incidencia). Como se describe en Lombini et al.105, una dispersión lambertiana de las superficies internas produce que la distribución de FR dentro del volumen se suavice y sea más uniforme. Otra estrategia para aumentar la eficacia germicida del conducto es actuar sobre el tiempo de residencia de los patógenos. Esto es posible optimizando la geometría del conducto. Para ambos tipos de concentradores propuestos, la zona de irradiación tiene una sección duplicada en comparación con el diámetro de la sección del conducto de entrada y salida, lo que reduce la velocidad del aire en el filtro y, en consecuencia, aumenta el tiempo de residencia del aire t106. Se supone que los otros lados del conducto de aire tienen los lados internos recubiertos con material UV poco reflectante, aunque una sección más prolongada y altamente reflectante aumentaría la eficiencia de inactivación. Se debe evitar la exposición directa a la luz UVC procedente de las aberturas de los conductos debido a sus efectos nocivos para los seres humanos107,108. Por esta razón, hemos considerado una porción limitada del conducto recubierta con material reflectante, lo que reduce la posibilidad de fugas de luz. Para casos de aplicación específicos se tendrá en cuenta una longitud de filtro UVC optimizada. La sección “Resultados y discusiones” analiza brevemente el rendimiento del sistema al variar algunos parámetros de CPC.

Hemos estimado la dosis esperada de UVC entregada a los patógenos que circulan dentro de los conductos, combinando simulaciones computacionales de dinámica de fluidos (CFD) de las trayectorias y velocidades de las partículas, para estimar el tiempo de residencia local t y la FR volumétrica esperada dentro del filtro UVC producido. por la radiación solar. La inactivación de los patógenos es función de la energía UV total absorbida. Un modelo simplificado17 es la relación exponencial:

donde e es la constante de Napier, S es la fracción de supervivencia de los microorganismos después de haber sido expuestos a la luz UVC y k es la constante de velocidad específica única para cada tipo de microorganismo (\(\mathrm{cm^2}/\textrm{mJ}\ )). Las siguientes secciones describen más detalladamente las simulaciones realizadas y los parámetros considerados.

La Tabla 1 enumera los principales parámetros utilizados para las simulaciones. La irradiancia solar UVC considerada se refiere al ancho de banda entre 240 y 280 nm, mientras que el flujo de aire dentro de los conductos de recirculación se supone que es de 230 \(\mathrm{m^3}/\textrm{h}\) o 460 \(\ mathrm{m^3}/\textrm{h}\) (el último es el valor de referencia de la ISS). Con respecto al concentrador de seguimiento del Sol, hemos considerado \(R = 0,9\) para cada uno de los tres espejos del telescopio y el oscurecimiento del 30% del espejo primario de 1 m de diámetro debido al espejo secundario. La luz solar UVC es, por tanto, una fuente de 2 W. El telescopio F/6 produce una imagen del Sol de 5 cm de tamaño. Las secciones de irradiación tienen el doble de diámetro que el diámetro de los conductos de entrada y salida (28 cm frente a 14 cm; consulte la descripción de la sección "Conductos de aire" más arriba). El diseño del concentrador de seguimiento del Sol se ha acoplado con un filtro UVC que tiene una forma cilíndrica de 1 m de longitud. La reflectividad interna del filtro se ha simulado como \(R = 0, 0,9, 0,95, 0,99\), mientras que se supone que las otras secciones del conducto de aire están recubiertas con un material absorbente de UVC. El concentrador estático tiene un diámetro de 3 m y la potencia captada, es decir, la luz que entra al conducto de aire a través de la ventana de cuarzo, es de 4,5 W. El filtro UVC anular tiene una sección cuadrada de 28 cm de ancho y los mismos tres valores de reflectividad interna que para la otra configuración. Estos parámetros se han refinado durante las simulaciones para tener un rendimiento de desinfección razonable y usarse como punto de partida para futuras implementaciones.

Dado que se espera que los patógenos sean transportados por las gotas liberadas por los astronautas al respirar o toser, se han concebido simulaciones CFD para describir el movimiento de las gotas dentro de los conductos de aire de ambas configuraciones de SAILOR Moon. El objetivo era predecir la exposición de las gotas a la radiación UV, para combinarla con la tasa de Fluencia esperada a partir de las simulaciones ópticas y, por tanto, la Fluencia.

Las simulaciones se han realizado utilizando el software comercial Ansys Fluent® (v18.1), considerando condiciones razonables para un entorno humano habitable, es decir, aire como gas, una presión ambiente de 1 atm, una temperatura ambiente de 25 \(^\circ \ ) \(C\). La gravedad se ha establecido en el valor Lunar (1,62 \(\textrm{m}/\mathrm{s^2}\)); sin embargo, hemos realizado simulaciones en diferentes condiciones de gravedad (Tierra, Luna, sin gravedad), que no alteraron la dinámica de las gotas. Las condiciones iniciales de los tramos se han fijado en términos de caudal volumétrico, siguiendo los valores reportados en la Tabla 1. Se ha fijado una condición de contorno de velocidad de entrada al tramo de entrada del conducto, con la velocidad del viento adecuada, para reproducir la solicitada. tasa de flujo. Las simulaciones han considerado el flujo turbulento, ya que las condiciones de operación conducen a un número de Reynolds (Re) superior a 40 000 para todos los casos simulados (el inicio de la turbulencia se encuentra convencionalmente en el rango de 2 000 a 5 000 Re). Por esta razón se ha utilizado el modelo realizable \(k-\epsilon \). Las gotas se simularon como fases discretas y se rastrearon mediante las herramientas de seguimiento de partículas proporcionadas por Fluent. Se han considerado esféricos, hechos de agua líquida y con un rango de tamaño de 0,5 a 25 \({\upmu }\textrm{m}\) (de diámetro), siguiendo el rango de tamaño esperado de un bioaerosol109,110. En este rango, las partículas pueden comportarse de manera diferente según su tamaño y velocidad. El diferente comportamiento se puede predecir mediante el número de Stokes (Stk), un número adimensional que caracteriza el comportamiento de las partículas suspendidas en un flujo de fluido y depende de varios parámetros, incluidos la velocidad y el diámetro de las gotas. Para la mayoría de los casos simulados, \(Stk < 1\) indica que las gotas tienden a seguir las líneas de corriente del fluido; sin embargo, los granos más grandes en el intervalo considerado tienen \(Stk > 1\) en algunas simulaciones, lo que muestra la tendencia a separarse del flujo de fluido primario. Debido a las velocidades lentas supuestas, las partículas de diferentes tamaños mostraron muy poca diferencia en la velocidad y el comportamiento dentro del conducto, lo que hace que el resultado sea independiente de su tamaño.

Las geometrías consideradas son un conducto cilíndrico en el caso del concentrador de seguimiento del Sol y un conducto anular de sección cuadrada en el caso del concentrador estático. Los volúmenes simulados se han discretizado en mallas finas de ~1e\(+\)6 elementos, considerando los diámetros externos del filtro UVC de 3 my el tamaño del filtro de 28 cm (ver Tabla 1). Las Figuras 5 y 6 muestran ejemplos de trayectorias de gotas simuladas para los dos casos de geometría. Los resultados de las simulaciones CFD pueden considerarse bastante precisos dentro de los límites de la configuración del modelo. Todas las ejecuciones de CFD han convergido a los valores deseados de los residuos (bajo 1e−4/1e−6, dependiendo de la ecuación). El modelo se ha establecido tras un análisis preliminar del fenómeno a modelar, de ahí una determinación “a priori” de los números de Reynolds y Knudsen para el flujo y de los números de Reynolds y Stokes para las gotas rastreadas.

Trayectorias de algunas partículas dentro del conducto de aire cilíndrico para el flujo de 230 \(\mathrm{m^3}/\textrm{h}\). El aumento del diámetro produce una desaceleración de la velocidad de las partículas en la segunda parte de la sección ampliada y una trayectoria turbulenta de algunas partículas. Esta cifra es representativa tanto de los flujos de aire considerados como del tamaño de las partículas. El tamaño de la figura no está en escala para fines de visualización.

Trayectorias de algunas partículas dentro del conducto de aire anular para el flujo de 230 \(\mathrm{m^3}/\textrm{h}\). Las partículas del conducto de aire más pequeño experimentan un flujo turbulento al ingresar al conducto anular más grande. En los flujos considerados, las trayectorias de las partículas vuelven a un régimen laminar. Esta cifra representa los flujos de aire considerados y el tamaño de las partículas.

Las simulaciones ópticas se han realizado utilizando Zemax OpticStudio®. Los rayos del Sol han sido emitidos por una fuente con una irradiancia media de 0,5 \(\textrm{mW}/\mathrm{cm^2}\). La posición óptima de la ventana de cuarzo, a través de la cual la luz solar UVC ingresa al conducto, corresponde a aquella parte del conducto donde la velocidad del aire es menor (Fig. 5). Los rayos provenientes del Sol han sido reflejados, refractados o absorbidos por los elementos ópticos hasta que la potencia de los rayos cayó por debajo de un umbral determinado (\(1/10^{6}\) la potencia inicial) o salieron del sistema óptico. A las superficies internas de los conductos se les ha dado una dispersión lambertiana con diferente reflectividad para resaltar la importancia de un valor alto de R. La FR dentro de los filtros ha sido evaluada por un detector volumétrico, una matriz tridimensional formada por vóxeles cúbicos, cada uno de 1 \(\mathrm{cm^3}\), para muestrear adecuadamente las variaciones espaciales de FR. La Figura 7 muestra cómo los rayos se reflejan en el interior del filtro (líneas azules) y uno de los detectores volumétricos a lo largo de la sección transversal longitudinal (100 \(\times \) 28 \(\times \) 1 vóxel) para resaltar la distribución de FR. . El detector está codificado por colores para resaltar la distribución de FR a lo largo de la sección horizontal del conducto; el color rojo indica una fluencia local más alta. A pesar de la dispersión lambertiana, un FR más alto se encuentra más cerca de la fuente UVC. El hecho de que el flujo máximo de UVC se encuentre donde la velocidad del aire es menor (Figs. 5 y 7) mejora la eficiencia de la desinfección. Los resultados de la simulación, en términos de tasa de fluencia dentro del filtro UVC, se pueden asumir con una incertidumbre inferior a unos pocos por ciento. Un número suficientemente alto de rayos iniciales desde la fuente105 garantiza un muestreo adecuado de la tasa de fluencia dentro del filtro debido a la distribución de dispersión. Los parámetros ópticos de los componentes del filtro UVC, como la Transmisividad del cuarzo y la Reflectividad del PTFE, se han tomado de hojas de datos, que se consideran buenos valores de referencia.

Filtro UVC cilíndrico. La imagen muestra cómo los rayos de luz son reflejados y dispersados ​​por la superficie interna. El plano coloreado es uno de los detectores volumétricos utilizados para calcular la tasa de fluencia dentro del filtro.

Las simulaciones ópticas y CFD se han combinado para obtener la Fluencia dentro del filtro UVC para los diferentes parámetros enumerados en la Tabla 1. Se han considerado las siguientes suposiciones:

Cada recorrido de partículas dentro del filtro se ha considerado de forma independiente. La velocidad de la partícula local se ha transformado en un tiempo de residencia dentro de una celda unitaria de volumen (1 \(\mathrm{cm^3}\));

el tiempo de residencia t se ha multiplicado por la Tasa de Fluencia local \(FR_L\), para obtener la Fluencia \(F_L\) entregada localmente en cada celda (Fig. 8a); la Fluencia total entregada a la partícula \(F_P\) es la suma de la Fluencia local a lo largo de la trayectoria de la partícula (Figura 8b);

el F total que se utilizará en los cálculos de la fracción de supervivencia dependiente de patógenos que se muestran en la ecuación. 1 es el valor promedio de todas las partículas \(F_P\).

La Figura 8a muestra la Fluence entregada localmente en cada celda de volumen unitario \(F_L\) a lo largo del camino de una muestra de pequeñas partículas. Está claro que en correspondencia con la fuente UVC, donde la velocidad de las partículas es baja, la Fluencia local entregada es mayor, mientras que es menor en la entrada y salida de la cavidad óptica, donde las partículas son más rápidas y la FR menor. De la misma manera, el total de partículas entregadas Fluence \(F_P\) aumenta rápidamente en correspondencia con la región de baja velocidad hasta valores del orden de los reportados en la Tabla 2. La Figura 8b muestra el total de partículas entregadas Fluence \(F_P\) \), bastante homogéneo para las diferentes partículas en la región de salida del filtro, por lo que es razonable considerar el valor promedio como una buena estimación del F general.

(a) Trayectorias de las mismas partículas de la Fig. 5, dentro del conducto de aire cilíndrico para el flujo de 230 \(\mathrm{m^{3}}/\textrm{h}\). En la segunda parte del filtro, la velocidad reducida de las partículas y la mayor tasa de fluencia en la misma región (Fig. 7) producen un aumento de la fluencia local. (b) Fluencia integrada para las mismas partículas que la figura superior. Los tamaños de las dos figuras no están en escala para fines de visualización.

La Tabla 2 enumera la F entregada esperada para los dos tipos de concentrador y los diferentes valores de parámetros utilizados en las simulaciones. Es evidente que una alta reflectividad interna del conducto de aire produce un aumento de la eficiencia de los esquemas de concentradores de luz solar considerados. Este debería ser el parámetro crucial para la I+D dada la posible implementación del sistema. Las simulaciones CFD muestran que los tamaños de los patógenos producen una diferencia casi insignificante en el resultado debido a la velocidad relativamente alta del aire dentro del filtro. Por lo tanto, se ha informado el valor principal para los casos de diferentes tamaños.

Una mayor optimización de los parámetros según los requisitos del sistema puede aumentar la eficiencia del dispositivo. Sin embargo, esta operación requeriría una compensación de algunos requisitos, como la masa del dispositivo. En cuanto al concentrador de seguimiento solar, incluso un tamaño relativamente pequeño del espejo primario (1 m), combinado con un filtro UVC altamente reflectante, podría ofrecer una alta fluencia, suficiente para una inactivación eficaz de los patógenos transmitidos por el aire. El concentrador requiere un sistema de seguimiento, que puede resultar muy sencillo gracias a la baja velocidad aparente del Sol (incluso se podría utilizar un sistema de seguimiento escalonado). Sin embargo, todavía haría falta cierta astucia para evitar la contaminación del polvo lunar (Regolito). Un espejo primario más grande o una fracción de oscurecimiento más pequeña (o ningún oscurecimiento en el caso de un telescopio fuera de eje) aumentaría la Fluencia entregada linealmente con el aumento del área colectora. La reflectividad del espejo representa otro ejemplo. Incluso si este valor ya es alto, un R más alto aumentará F en un pequeño porcentaje. El aumento de la reflectividad de la superficie interna del conducto de aire contribuiría significativamente más. Podría resultar útil aumentar la eficacia de la reflectancia con un recubrimiento adecuado limitando el rango espectral operativo del sistema a UV. Por ejemplo, \(R=0.99\) aumentaría la F entregada en un factor de 2 en comparación con el caso \(R=0.95\). Se ha demostrado que los espejos multicapa fabricados con una pila de películas delgadas de HfO\(_2\) y SiO\(_2\) alcanzan \(R=0,99\) a 250 nm111,112. Pocos materiales son adecuados para optimizar el recubrimiento en el rango espectral seleccionado. Su tecnología de deposición y su estabilidad en el entorno espacial a lo largo del tiempo siguen representando un desafío tecnológico113, por lo que es necesario llevar a cabo un proyecto de desarrollo específico. Otras modificaciones de la geometría del filtro UVC, como la longitud, el diámetro y la forma, también darían como resultado un mayor rendimiento mediante el aumento de la turbulencia y, por tanto, del tiempo de residencia del aire. En lo que respecta al concentrador estático, el aumento del diámetro del anillo o de la abertura de salida (Fig. 4) es proporcional al aumento del tamaño del colector (diámetro del anillo, abertura de entrada, longitud). Entrarían en juego consideraciones adecuadas sobre la masa y el tamaño totales. Otras posibles compensaciones podrían referirse a diseños de CPC alternativos con una mejor eficiencia de recolección de luz114,115. La Tabla 3 informa las dosis para un valor de reducción \(D_{90}\) (90 % o Log1) para algunos patógenos transmitidos por el aire. Los valores deben compararse con la F entregada esperada por SAILOR Moon, que figura en la Tabla 2. El sistema proporcionaría, para los virus, una dosis suficiente para una reducción \(D_{90}\) o incluso más. Para algunas bacterias u hongos, que son menos susceptibles a la exposición a la luz UVC, algunas configuraciones administrarían una dosis de UVC que no permitiría una tasa de inactivación completa \(D_{90}\), que podría ser necesaria para una permanencia saludable de los astronautas dentro del espacio. Módulos habitables. De todos modos, hay que tener en cuenta que los puestos de avanzada espaciales tendrán un circuito cerrado de recirculación de aire. En cada ciclo, la fracción de supervivencia estaría sobre los restos del anterior y caería exponencialmente, ciclo tras ciclo.

Hay que considerar que el objetivo de este artículo es presentar a la comunidad científica una idea, aún en etapa preliminar. Algunas simplificaciones asumidas en el presente estudio se abordarán en desarrollos futuros. En este sentido, en lo que respecta a la presencia de microorganismos en el aire dentro de los puestos lunares, una consideración importante se refiere al entorno de microgravedad de la ISS, donde la dinámica de transmisión podría ocurrir de manera diferente que en la Tierra.

En la Luna, la gravedad es aproximadamente 1/6 de la terrestre, y aún queda por determinar si las condiciones serán más similares a las de la Tierra o la ISS.

Además, en las simulaciones, hemos considerado solo la banda UVC para calcular la F entregada por el sistema. El uso sinérgico de UVC con bandas UV de longitud de onda más larga, cuya irradiancia es mayor (Fig. 1), podría ayudar a aumentar aún más la tasa de inactivación de los patógenos. , particularmente para virus basados ​​en ARN, como se sugiere en algunos trabajos recientes84,129. En el futuro próximo se prevén pruebas experimentales sobre la eficacia de la inactivación de patógenos utilizando un ancho de banda más amplio del espectro solar mediante una lámpara solar.

Al modelar la dinámica de las gotas, algunos aspectos no se han tenido en cuenta. Las gotas no se han considerado cargadas eléctricamente y se ha omitido la compleja dinámica de salpicadura/rebote/coalescencia de las gotas. Se ha planteado la hipótesis de que las gotas cargadas tienden a adherirse a las paredes del filtro para descargarse, como ocurre, por ejemplo, con el polvo, que también se ve fuertemente afectado por los fenómenos electrostáticos. En este caso, las gotas estarían más expuestas a la radiación que las gotas descargadas. También se ha descuidado la coalescencia entre gotas, pero incluso eso conduciría a la formación de gotas más grandes, por lo tanto más sujetas a la fuerza de gravedad y, en consecuencia, más propensas a sedimentarse. La deposición ciertamente implica una exposición más prolongada a la radiación ultravioleta. Se ha considerado que las gotas tienen choques elásticos sobre las paredes sin salpicar. Esta hipótesis simplifica las simulaciones pero también es conservadora, ya que una gota que se adhiere a la pared al menos parcialmente después del fenómeno de salpicadura está expuesta a la radiación durante más tiempo, lo que lleva a una mayor F recibida. Sin embargo, a pesar de que las simulaciones consideran una estimación más simple de los resultados desde el punto de vista computacional, son conservadoras en términos de rendimiento.

Hay que tener en cuenta que los dos componentes de SAILOR Moon, el concentrador y el filtro UVC, formarán parte de un sistema más complejo que comprenderá, como mínimo, la ventilación del aire y el filtrado de polvo. En particular, el polvo lunar, llamado regolito, cubre la superficie lunar130 y está compuesto por varios tipos de partículas de diferentes tamaños, que pueden ser sometidas a levitación electrostática producida por la radiación solar UV y de rayos X. El polvo se depositará sobre las superficies reflectantes del concentrador, reduciendo la eficiencia del sistema. Un sistema de agitación o una captura electrostática131 podrían ayudar a mitigar este problema. Además, el polvo que se introduce en los módulos habitables tras los paseos lunares será un problema para la salud de los astronautas132,133. Se podrían colocar filtros de partículas de aire de alta eficiencia (HEPA)134 o facilitadores electrostáticos135 antes de SAILOR Moon para realizar el filtrado de polvo. Durante las próximas etapas de este proyecto, se realizará una evaluación de confiabilidad, disponibilidad, mantenibilidad y seguridad (RAMS) y será necesario abordar estos problemas.

Nos estamos preparando para los vuelos espaciales de mayor duración necesarios para entrar en la era de la exploración planetaria tripulada, con el aumento de "personas" que se espera que participen en misiones espaciales y el aumento de las misiones espaciales en número y duración en el futuro. La purificación del aire y del agua reciclados será el objetivo de futuros estudios sobre la utilidad de la radiación UVC procedente de una fuente natural (solar) en entornos complejos de microgravedad donde la recirculación de estos medios debe producirse necesariamente durante un tiempo muy largo con la imposibilidad absoluta de intercambio con aire primario (agua).

Hemos presentado el proyecto SAILOR Moon, una solución segura, eficaz y sostenible de cara a las misiones prolongadas con tripulación humana a la Luna. Aprovecha la fuente solar UVC natural e inagotable para desinfectar el aire de los futuros módulos habitables en los polos lunares. Estos lugares parecen únicos debido al lento movimiento aparente del Sol y al alto porcentaje de exposición a la luz solar. El proyecto aún se encuentra en la fase preliminar. El objetivo es presentar a la comunidad científica una posible alternativa a otros sistemas germicidas. El enfoque del concentrador de seguimiento del Sol que hemos presentado es un concentrador de seguimiento de FoV limitado similar a un telescopio con calidad óptica reducida y requisitos de precisión de puntería, ya que el objetivo es concentrar la luz y no producir una imagen del Sol. El concentrador estático no requiere ninguna pieza móvil ni energía eléctrica para recoger la luz. Las simulaciones de su eficiencia muestran un buen comportamiento en la inactivación de patógenos con los parámetros elegidos y podrían aumentar con la optimización del sistema. Los próximos pasos serán un estudio de viabilidad, la creación de prototipos de concentradores ópticos y pruebas de rendimiento de inactivación de patógenos en conductos de aire altamente reflectantes para validar las simulaciones. Además, al recopilar una banda de longitud de onda diferente, el concentrador también podría encontrar aplicaciones distintas a la UVGI. Por ejemplo, la luz UVA podría estimular algunas funciones biológicas, como favorecer el crecimiento de cultivos hidropónicos, la producción de vitamina D o simplemente entregar luz visible para una iluminación interna natural con un uso reducido de ventanas de vidrio frágiles. En este caso, los recubrimientos dieléctricos multicapa podrían usarse para optimizar el sistema para lograr una alta eficiencia en esos rangos espectrales. En los casos de ausencia de iluminación solar, tanto en la Luna como en diferentes entornos como naves espaciales o puestos de avanzada en Marte, el concepto de conductos altamente reflectantes podría utilizarse para la desinfección del aire con fuentes artificiales de UVC, como se hace en la Tierra.

Los conjuntos de datos generados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

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ML escribió los borradores originales, revisó y editó el manuscrito, RA, MEC y CP escribieron la sección de microbiología, EMA escribió la parte de irradiación solar, LS, G.Mo. y VDC realizaron las simulaciones, revisaron y editaron el manuscrito, LL, AM, AB, MGP y MF contribuyeron a la metodología y discutieron los datos, PA, G.Ma., FC, ED y GP contribuyeron a la investigación y editaron el manuscrito. . Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito.

Correspondencia a Matteo Lombini.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Lombini, M., Schreiber, L., Albertini, R. et al. Colector solar de luz ultravioleta para irradiación germicida en la luna. Informe científico 13, 8326 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35438-4

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Recibido: 25 de noviembre de 2022

Aceptado: 18 de mayo de 2023

Publicado: 23 de mayo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35438-4

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