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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Las misiones prolongadas tripuladas por humanos en la Luna se prevén como una puerta de entrada para la colonización de Marte y asteroides en las próximas décadas. Los riesgos para la salud relacionados con la permanencia prolongada en el espacio se han investigado parcialmente. Los peligros debidos a los contaminantes biológicos transportados por el aire representan un problema relevante en las misiones espaciales. Una forma posible 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 efectiva para la inactivación de patógenos en el aire dentro de puestos avanzados habitables a través de 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 captar la radiación solar Ultravioleta y utilizarla como fuente para desinfectar el aire recirculante de los puestos 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 Artemis. Otra ventaja de la Luna es su baja inclinación a la eclíptica, lo que mantiene la altitud aparente del Sol dentro de un rango angular reducido. Por este motivo, la radiación solar ultravioleta puede recogerse mediante un colector de seguimiento solar simplificado o incluso un colector estático y utilizarse para desinfectar el aire reciclado. Se han realizado simulaciones de dinámica de fluidos y ópticas para respaldar la idea propuesta. Las tasas de inactivación esperadas para algunos patógenos en el aire, ya sean comunes o encontrados en la Estación Espacial Internacional, se informan y comparan con la eficiencia del dispositivo propuesto. Los resultados muestran que es posible utilizar la radiación solar ultravioleta directamente para la desinfección del aire dentro de los puestos de avanzada lunares y brindar un entorno de vida saludable a los astronautas.

Los programas de exploración espacial para el futuro cercano implican traer humanos de regreso 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 para 2024 para la primera misión de 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 humanos a Marte: los experimentos que se llevarán a cabo en la Luna son, 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. Los peligros potenciales biológicos, químicos y físicos se presentan en cada fase de una misión3,4,5,6. 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 de vida y trabajo orbital fuera de la atmósfera terrestre. Estudios realizados en el interior de la ISS hacen referencia a posibles riesgos para la salud durante los vuelos espaciales7,8,9. Se esperan publicaciones e informes de experimentos a bordo de la estación espacial china Tiangong, tripulada desde 2021, en los próximos años10. Las publicaciones de otras naves espaciales a corto plazo, como el transbordador espacial, están disponibles8,11. Entre las consideraciones de salud, los riesgos planteados 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 futuros módulos habitables de la 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 es probable que desempeñen un papel esencial (p. ej., remediación de desechos, purificación de agua y aire, fuentes de alimentos en misiones a largo plazo), 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 realizan medidas preventivas: controles de salud de los astronautas antes de la salida, vacunación, 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 en el ARN o el ADN se convierten principalmente en dímeros de pirimidina (pero también rompen el enlace cruzado entre los ácidos nucleicos y las proteínas). Si la población de dímeros es lo suficientemente alta, se producen errores de transcripción que, en última instancia, dan como resultado la inactivación de la replicación del microorganismo. La eficiencia de la radiación UVC en la inactivación de microorganismos depende de varios factores, ya que la dosis requerida depende de los factores intrínsecos a los diferentes microorganismos a la luz UVC18,19,20. Además, la tasa de inactivación depende de la longitud de onda de la irradiación21, la distancia de 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 realizando 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 muy baja concentración33. Dado que no se producen efectos secundarios, la dosis de luz UVC se puede administrar 'en trozos' después de cualquiera de las numerosas reflexiones internas, según la ley de Bunsen y Roscoe34. A diferencia de las aplicaciones terrestres, donde las fuentes UVC son artificiales (p. ej., 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 las avanzadas lunares36. El colector solar de luz ultravioleta para la irradiación germicida en la Luna (SAILOR Moon) es un proyecto en el que el componente UVC de la radiación solar se recoge y se convierte en la fuente de UVGI, hecho posible gracias a la peculiaridad de los polos de la Luna en relación con la exposición prolongada a la luz solar. . Aprovechando la potencia mejorada dentro del conducto de aire producida por las superficies internas altamente reflectantes, es posible obtener suficiente potencia para inactivar eficazmente los patógenos transportados por el aire. Los objetivos del estudio eran 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 ser muy efectivo. Esperamos traer una posible alternativa a los sistemas de desinfección actuales o propuestos para módulos habitables lunares y, más en general, para misiones humanas prolongadas en el espacio exterior. El presente documento está organizado de la siguiente manera: se proporciona una descripción de los peligros potenciales para la permanencia a largo plazo en el espacio y una breve revisión de los patógenos que se encuentran a bordo de la ISS. Luego, se describen las condiciones de irradiancia solar en la Luna y el concepto SAILOR Moon, y se reporta el desempeño de la eficiencia de inactivación del patógeno a través de simulaciones ópticas y CFD. Los resultados de la simulación se comparan con la dosis de UV necesaria para algunos patógenos transportados 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 posibles riesgos 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 radiación, pérdida de masa ósea)6,12. Los astronautas pasan mucho tiempo en condiciones de microgravedad y están expuestos al compromiso del sistema inmunológico. La microgravedad determina la alteración de la distribución de los leucocitos circulantes, la producción de citocinas, la función de los linfocitos T y Natural Killer, la función de los granulocitos, los niveles de inmunoglobulinas, la inmunidad específica de virus 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, reducción de la presencia de microorganismos anaerobios y aumento de bacterias aerobias Gram-negativas y estafilococos en la piel, vías respiratorias superiores y 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 inhibitorias mínimas 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 la 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 pueden observar daños en polímeros y metales. Esto dio como resultado el mal funcionamiento e incluso la rotura de unidades específicas, por ejemplo, acondicionadores de aire, sistemas de reciclaje de agua, etc., y la degradación de los materiales críticos de la nave espacial, lo que puede provocar fallas en el sistema y poner en peligro a las tripulaciones7. Las infecciones de los miembros de la tripulación o los problemas de salud relacionados con la acción patógena de los microorganismos se han informado solo en raras ocasiones56. Los tripulantes son la principal fuente de microorganismos, capaces de eliminar muchas partículas (potencialmente portadoras de agentes biológicos) del ambiente tanto a través de la descamación de la piel como de los actos de toser, estornudar, 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 útiles biológicas, los vehículos de reabastecimiento, el hardware y los suministros, y los alimentos o material vegetal son fuentes adicionales de microorganismos63.

Los microorganismos son omnipresentes en 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 habitación. El énfasis principal se ha puesto en la calidad del aire y la contaminación superficial de las estructuras internas8,65,66. El monitoreo de 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 comienzo de la ISS, el monitoreo microbiano de rutina de las superficies, el aire y el agua se ha realizado utilizando técnicas basadas en cultivos11,67. Sin embargo, solo una pequeña fracción de organismos puede detectarse mediante análisis basados ​​en cultivos, lo que limita la comprensión de la diversidad de 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 dirigida de amplicones, que pueden identificar y cuantificar organismos tanto cultivables como no cultivables y proporcionar una evaluación más completa 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 usa 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 de la monitorización en tiempo real61,68,69,70,71. En este concurso podemos aprovechar el conocimiento en instalaciones sanitarias, quirófanos, industria farmacéutica, alimentaria y electrónica, y patrimonio cultural, apoyado en experiencias previas en naves espaciales, misiones MIR y 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 del aire 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 a lo largo del tiempo independientemente del microbioma de la tripulación individual. Todos los géneros de microbiomas centrales también se han encontrado 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 realmente 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 ISS diferían de sus homólogos terrestres, estas diferencias no parecían ser una amenaza para la salud78. Las especies bacterianas que se encuentran en la ISS están más asociadas con el microbioma oral y el tracto respiratorio superior humano61. La fuente principal de hongos en el aire puede ser comida o material vegetal. Los principales filos bacterianos detectados a bordo de la ISS en el aire y en las superficies, ya sea por cultivo o por métodos moleculares, fueron Staphylococcus (Firmicutes), Corynebacterium y Propionibacterium (Actinobacteria)68. En ensayos basados ​​en cultivo, las especies de Bacillus y Staphylococcus fueron los Firmicutes más detectados, mientras que Staphylococcus dominó por completo las firmas afiliadas a Firmicutes detectadas por 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. Las bacterias pertenecientes a la Staphylococcus sp. género fueron aislados del 84% de las muestras superficiales; los dos segundos géneros más identificados fueron Bacillus sp. (31,7%) y Corynebacterium sp. (9,4%)65. Las especies predominantes encontradas en 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 patógeno oportunista (B. cereus, Eikenella corrodens y S. aureus)9. Además, se detectaron Flavobacterium indologenes, Pseudomonas putida y Xanthomonas malthophila, que pueden causar el biodeterioro de los materiales43,44. En cuanto a los hongos, se detectó una mayor abundancia de Aspergillus y Penicillium a bordo de la ISS mediante cultivo o utilizando otros métodos de detección65,79,80. En el interior del módulo japonés Kibo de la ISS, después de un año de operaciones, no se detectó Penicillium sino Malassezia asociado a la piel81. Aspergillus sp., Penicillium sp. y Saccharomyces sp. fueron los géneros más comunes. Algunas muestras contenían A. versicolor y Cladosporium sp. son conocidas por su capacidad para colonizar polímeros naturales y sintéticos. Inevitablemente, la ISS también albergará un número desconocido de microorganismos65. Con respecto a la contaminación viral, una revisión reciente42 reporta la identificación de 72 géneros de virus diferentes, de 21 familias, incluidos los que contienen patógenos humanos. También vale la pena señalar que el análisis metagenómico se realizó solo en el subconjunto combinado 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 subrepresentados en las bases de datos genómicos que asignan secuencias, por lo que una parte importante puede permanecer sin identificar42. Las lecturas similares a los virus animales se distribuyeron 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 reactivarse8. Los virus patógenos estuvieron presentes en baja abundancia y es poco probable que causen problemas de salud significativos en misiones espaciales a corto plazo, incluso en condiciones desfavorables para un sistema inmunológico saludable. Sin embargo, 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 de la literatura para todos los microorganismos considerados, han sido consideradas referencias al dimensionar el sistema y calcular su desempeño sanitizante a través de simulaciones.

La radiación 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 una longitud de onda más baja, se supone que es el mismo86,87, 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 a 280 nm, con una irradiancia integrada de 0,5 \(\textrm{mW}/\mathrm{cm^2}\), para los cálculos de eficiencia de la UVGI. En las bandas UVB (280–320 nm) y UVA (320–400 nm), la eficacia de la desinfección desciende pero la radiación solar aumenta. Por tanto, cabría esperar un efecto que merezca 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 queda para futuras investigaciones.

Irradiación solar espectral en la banda ultravioleta del ESPECTRÓMETRO SOLar 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 proviene de su baja oblicuidad con respecto al plano de la eclíptica, alrededor de 1,5\(^\circ \). Esto significa que en las 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 sombreadas 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 rotación y de la topografía de la región92. Debido a la necesidad y el interés de 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", denominados 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 de hecho no podemos ver nieve o hielo), hay montañas tan extrañamente situadas que su cima no conoce la noche; el sol nunca se ha puesto para ellos! Podemos llamarlos los picos de la luz eterna". Son los bordes de determinados cráteres y crestas iluminadas durante una gran parte del año. Las estimaciones precisas se obtienen considerando la baja oblicuidad (y por lo tanto las variaciones estacionales insignificantes), la topografía de las características en los polos y la precesión lunar axial (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 que miran hacia el ecuador. los bordes de los cráteres Hinshelwood, Peary y Whipple, mientras que en el Polo Sur el cráter Shackleton y dos regiones en Connecting Ridge. El porcentaje correspondiente varía desde aproximadamente el 70% hasta el 83%. El tiempo máximo en la sombra varía en cambio de casi 100 horas a 335 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 alunizaje 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, Malapert Massif, Leibnitz Beta Plateau, Nobile Rim 1, Nobile Rim 2 y Amundsen Rim. La elección se basó en el hecho de que pueden garantizar el acceso continuo a la luz solar durante 6,5 días.

El proyecto SAILOR Moon es un estudio sobre un módulo de servicio para la desinfección del aire recirculado, mediante radiación solar UVC, en el interior de los futuros módulos lunares habitables. 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 el rango limitado de la posición aparente del Sol alrededor del horizonte. Presentamos dos posibles concentradores solares de luz UVC, que producen la fuente germicida para el aire del interior de los módulos habitables. Hemos considerado dos colectores de luz solar: (i) un seguidor solar, que se puede montar 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 el posicionamiento de los posibles lugares de aterrizaje en la proximidad de los polos hacen que la posición aparente del Sol se limite a ± 2\(^\circ \) alrededor del horizonte, a lo largo del ángulo cenital. Teniendo en cuenta el tamaño angular del Sol (\(\approx \) 30 arcmin) y algunas contingencias, hemos considerado que los colectores de luz solar que se describen a continuación pueden recoger luz en un rango de ± 3,5\(^\circ \) alrededor del horizonte. , para 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 otros parámetros, enumerados en la Tabla 1, se eligieron arbitrariamente pero se consideran razonables. De todos modos, los resultados de eficiencia, que se muestran 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 eficiencia con variaciones de parámetros.

La solución óptica más simple 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-Chretien. Un espejo plano terciario detrás de la apertura del telescopio compensa las variaciones del ángulo cenital y mantiene fijo el plano focal sobre la ventana de cuarzo del conducto de aire.

El concentrador presentado es un telescopio tipo Ritchey-Chretien de dos espejos con un FoV de 1\(^\circ \) (el diámetro aparente del Sol es de aproximadamente 0,5\(^\circ \)). El montaje del telescopio tiene similitudes con los montajes del radiotelescopio ya que el objetivo principal es la concentración de 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 para la desinfección del aire dentro del conducto de aire. Dos rotadores motorizados rastrean 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 cambio del plano focal debido a la variación del ángulo de declinación para entregar 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 ser considerada un problema para el seguimiento del Sol (menos de 0,5 \(\mathrm{grados/h}\)). Un sensor solar simple sería suficiente para mantener la fuente dentro del campo de visión del telescopio, y un mecanismo de seguimiento escalonado simplificaría el sistema con respecto al control del ciclo de trabajo. Dispositivos apuntadores aún más precisos no serían un problema si el objetivo del concentrador fuera entregar un plano focal de mayor calidad óptica. Una imagen del Sol más estable permitiría acoplar un haz de fibra óptica 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 (agua o desinfección de superficies). Esta opción está más allá del objetivo del documento y no ha sido investigada en detalle. Se considera que los espejos del telescopio tienen una alta reflectividad R. Un material posible podría ser Alanod MIRO UV C101, que tiene \(R>0.9\) sobre el rango UVC y 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 dentro del 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 de tipo sin imágenes ampliamente utilizado para calentar agua y generar energía. Todos los rayos de luz que ingresan a la abertura 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 abertura de salida (Fig. 4). Las dimensiones del dispositivo, enumeradas en la Tabla 1, pueden derivarse fácilmente usando el "principio de rayos de borde" aplicado al diseño de CPC, descrito en Tian et al.103. En la abertura de salida del CPC anular, una cubierta cilíndrica de cuarzo actúa como una ventana de entrada para la radiación UVC solar al filtro UVC anular. 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 la concentración de luz solar UVC: vistas lateral y superior. La imagen del concentrador de seguimiento de Sun en la parte superior izquierda tiene el propósito de mostrar visualmente la escala de los dos sistemas. Los dos tamaños de configuración se eligieron para ofrecer un Fluence general similar, como se muestra en la Tabla 2.

El perfil externo del Concentrador Parabólico Compuesto anular. Los parámetros se refieren al lado superior. El lado inferior tendría los mismos valores de parámetro en el 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 eficacia germicida de la radiación solar UVC dentro de los conductos de aire. La cantidad a maximizar es la Fluencia (F), también llamada dosis UV, que se define como la energía radiante total desde todas las direcciones que pasa a través de una esfera infinitesimalmente 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 Irradiación o Tasa de fluencia (FR), con unidades estándar de \(\textrm{mW}/\mathrm{cm^2}\), multiplicado por el tiempo de residencia t de los patógenos dentro de una unidad de volumen. El concepto de filtro UVC se basa en la ampliación de 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 materiales posibles 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 alise y sea más uniforme. Otra estrategia para aumentar la eficiencia 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 revestidos con material UV poco reflectante, aunque una sección más prolongada y altamente reflectante aumentaría la eficiencia de inactivación. Debe evitarse la exposición directa a la luz UVC de las aberturas de los conductos debido a sus efectos nocivos en los seres humanos107,108. Por esta razón, hemos considerado una parte limitada del conducto recubierta con material reflectante, lo que reduce la posibilidad de fugas de luz. Se tendrá en cuenta una longitud de filtro UVC optimizada para casos de aplicación específicos. La sección "Resultados y discusiones" analiza brevemente el rendimiento del sistema al variar algunos parámetros de CPC.

Hemos estimado la dosis UVC esperada entregada a los patógenos que circulan dentro de los conductos, mediante la combinación de simulaciones dinámicas de fluidos computacionales (CFD) de las trayectorias y velocidades de las partículas, para estimar el tiempo de residencia local t y el FR volumétrico esperado 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 en detalle 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 del diámetro de los conductos de entrada y salida (28 cm frente a 14 cm; consulte la descripción anterior de la sección "Conductos de aire"). 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 en el 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 perfeccionado durante las simulaciones para tener un rendimiento de desinfección razonable y utilizarse como punto de partida para implementaciones futuras.

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 de las simulaciones ópticas y, por lo 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 ambiental 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 las corridas se han establecido en términos de caudal volumétrico, siguiendo los valores informados en la Tabla 1. Se ha establecido una condición límite de entrada de velocidad en la sección de entrada del conducto, con la velocidad de viento adecuada, para reproducir la velocidad 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 40000 para todos los casos simulados (el inicio de la turbulencia está convencionalmente en el rango de 2000 a 5000 Re). Por esta razón, se ha utilizado el modelo \(k-\epsilon \) realizable. Las gotas se simularon como fases discretas y se rastrearon a través de las herramientas de rastreo de partículas proporcionadas por Fluent. Se han considerado esféricos, hechos de agua líquida y en un rango de tamaño de 0,5–25 \({\upmu }\textrm{m}\) (de diámetro), siguiendo el rango de tamaño esperado del bioaerosol109,110. En este rango, las partículas pueden comportarse de manera diferente dependiendo de su tamaño y velocidad. El comportamiento diferente se puede predecir a través del número de Stokes (Stk), un número adimensional que caracteriza el comportamiento de las partículas suspendidas en un flujo de fluido que depende de varios parámetros, incluida 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, mostrando 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 solar y un conducto anular de sección cuadrada en el caso del concentrador estático. Los volúmenes simulados han sido discretizados 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 residuales (bajo 1e−4/1e−6, dependiendo de la ecuación). El modelo se ha establecido siguiendo un análisis preliminar del fenómeno a modelar, por lo tanto, una determinación "a priori" de los números de Reynolds y Knudsen para el flujo y 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 de diámetro produce una ralentización 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 de los tamaños 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 cuando ingresan al conducto anular más grande. A los flujos considerados, las trayectorias de las partículas vuelven a un régimen laminar. Esta figura representa los flujos de aire considerados y los tamaños de las partículas.

Las simulaciones ópticas se han realizado utilizando Zemax OpticStudio®. Los rayos del Sol se han emitido desde una fuente con una irradiancia media de 0,5 \(\textrm{mW}/\mathrm{cm^2}\). La posición óptima de la ventana de cuarzo, por la que entra la luz solar UVC en el conducto, corresponde a la 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 aplicado una dispersión Lambertiana con diferente reflectividad para resaltar la importancia de un alto valor de R. El FR dentro de los filtros ha sido evaluado por un detector volumétrico, una matriz tridimensional formada por vóxeles cúbicos, cada uno de 1 \(\mathrm{cm^3}\), para muestrear correctamente las variaciones espaciales de FR. La Figura 7 muestra cómo se reflejan los rayos 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 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 mayor fluencia local. A pesar de la dispersión lambertiana, un FR más alto se encuentra más cerca de la fuente de UVC. El hecho de que el máximo flujo 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 por debajo de un pequeño porcentaje. Un muestreo adecuado de la tasa de fluencia dentro del filtro debido a la distribución de dispersión ha sido garantizado por un número suficientemente alto de rayos de partida de la fuente105. Los parámetros ópticos de los componentes del filtro UVC, como la Transmisividad de cuarzo y la Reflectividad de 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 se reflejan y dispersan por la superficie interna. El plano de color es uno de los detectores volumétricos utilizados para calcular la tasa de fluencia dentro del filtro.

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

cada trayectoria 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 de volumen unitario (1 \(\mathrm{cm^3}\));

el tiempo de residencia t ha sido multiplicado por la tasa de fluencia local \(FR_L\), para obtener la fluencia entregada localmente \(F_L\) 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);

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

La Figura 8a muestra la Fluencia entregada localmente en cada celda de volumen unitario \(F_L\) a lo largo del camino de una muestra de partículas pequeñas. Es claro que en correspondencia con la fuente UVC, donde la velocidad de la partícula es baja, la Fluencia entregada localmente es mayor, mientras que es menor a la entrada y salida de la cavidad óptica, donde las partículas son más rápidas y la FR menor. De la misma forma, 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 de la 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 tasa de fluencia más alta en la misma región (Fig. 7) hacen que aumente 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 concentración 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 del aire relativamente alta dentro del filtro. Por lo tanto, se ha informado el valor principal para los casos de diferentes tamaños.

Una mayor optimización de los parámetros en función de los requisitos del sistema puede aumentar la eficiencia del dispositivo. Sin embargo, esta operación necesitaría algunas compensaciones de 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 proporcionar una alta fluencia, suficiente para una inactivación eficaz de los patógenos transportados por el aire. El concentrador requiere un sistema de seguimiento, que puede ser muy sencillo gracias a la baja velocidad aparente del Sol (incluso se podría utilizar un sistema de seguimiento escalonado). Sin embargo, aún requeriría 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 del eje) aumentaría la fluencia entregada linealmente con el aumento del área de recolección. La reflectividad del espejo representa otro ejemplo. Incluso si este valor ya es alto, una R más alta aumentará F en un pequeño porcentaje. El aumento de la reflectividad de la superficie interna del conducto de aire contribuiría significativamente más. Podría ser útil aumentar la eficacia de la reflectancia con un recubrimiento adecuado al limitar el rango espectral operativo del sistema a UV. Por ejemplo, \(R=0.99\) aumentaría la F entregada por un factor de 2 en comparación con el caso de \(R=0.95\). 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 reto 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 a través del aumento de la turbulencia y, por lo tanto, del tiempo de residencia del aire. En cuanto al concentrador estático, el aumento del diámetro de los anillos o de la apertura de salida (Fig. 4) es proporcional al aumento del tamaño del colector (diámetro del anillo, apertura de entrada, longitud). Las consideraciones adecuadas sobre la masa y el tamaño generales entrarían en juego. Otras posibles compensaciones podrían estar relacionadas con diseños alternativos de CPC con una mejor eficiencia de captación de luz114,115. La Tabla 3 informa las dosis para un valor de reducción de \(D_{90}\) (90 % o Log1) para algunos patógenos transportados por el aire. Los valores deben compararse con la F entregada esperada de SAILOR Moon, enumerada en la Tabla 2. El sistema proporcionaría, para virus, una dosis suficiente para una reducción de \(D_{90}\) o incluso más. Para algunas bacterias u hongos, que son menos susceptibles a la exposición a la luz UVC, algunas configuraciones entregarían una dosis de UVC que no permitiría una tasa de inactivación completa de \(D_{90}\), que podría ser necesaria para una permanencia saludable de los astronautas dentro del módulos habitables. De todos modos, hay que tener en cuenta que los puestos de avanzada basados ​​en el espacio tendrán un circuito cerrado de recirculación de aire. En cada ciclo, la fracción de supervivencia estaría en los remanentes del anterior y caería exponencialmente, ciclo tras ciclo.

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

En la Luna, la gravedad es aproximadamente 1/6 de la terrestre, y aún debe determinarse 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 patógenos. , particularmente para virus basados ​​en ARN, como se sugiere en algunos trabajos recientes84,129. En un futuro próximo, se prevén pruebas experimentales sobre la eficacia de la inactivación de patógenos utilizando un ancho de banda más amplio del espectro solar a través de una lámpara solar.

Al modelar la dinámica de las gotas, algunos aspectos no se han tenido en cuenta. Las gotitas no se han considerado cargadas eléctricamente y se han omitido las dinámicas complejas de salpicadura/rebote/coalescencia de las gotitas. Se ha planteado la hipótesis de que las gotas cargadas tienden a adherirse a las paredes del filtro para descargarse, como sucede, por ejemplo, con el polvo, que también se ve fuertemente afectado por los fenómenos electrostáticos. En este caso, las gotitas estarían más expuestas a la radiación que las gotitas descargadas. La coalescencia entre las gotas también se ha descuidado, pero incluso eso conduciría a la formación de gotas más grandes, por lo tanto, más sujetas a la fuerza de la 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 en 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 por más tiempo, lo que lleva a una mayor F recibida. Sin embargo, a pesar de que las simulaciones consideran una estimación más simple en cuanto a 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, ventilación de aire y 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 la levitación electrostática producida por la radiación solar de rayos X y UV duro. El polvo se depositará sobre las superficies reflectantes del concentrador, reduciendo la eficiencia del sistema. Un sistema de agitación o una captura electrostática131 podría ayudar a mitigar este problema. Además, el polvo que entra en los módulos habitables después de los paseos lunares será un problema para la salud de los astronautas132,133. Se pueden colocar filtros de aire de partículas 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 se deberán 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 misiones espaciales en número y duración en el futuro. La purificación de aire y agua reciclada será el objetivo de futuros estudios sobre la utilidad de la radiación UVC de una fuente natural (solar) en entornos complejos de microgravedad donde la recirculación de estos medios necesariamente debe ocurrir durante un tiempo muy largo con el Imposibilidad absoluta de intercambio con aire primario (agua).

Hemos presentado el proyecto SAILOR Moon, una solución segura, eficaz y sostenible de cara a misiones prolongadas tripuladas por humanos en la Luna. Aprovecha la fuente UVC solar natural e interminable para la desinfección del 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 los otros sistemas germicidas. El enfoque del concentrador de seguimiento solar que hemos presentado es un concentrador de seguimiento de FoV limitado similar a un telescopio con requisitos reducidos de calidad óptica y precisión de puntería, ya que el objetivo es concentrar la luz y no producir una imagen del Sol. El concentrador estático no requiere piezas móviles ni energía eléctrica para recoger la luz. Las simulaciones sobre su eficiencia muestran un buen desempeño en la inactivación de patógenos con los parámetros elegidos y podría aumentar con la optimización del sistema. Los siguientes pasos serán un estudio de factibilidad, 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 otras aplicaciones además de 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 proporcionar luz visible para la iluminación interna natural con un uso reducido de las frágiles ventanas de vidrio. En este caso, los recubrimientos dieléctricos multicapa podrían usarse para optimizar el sistema para una alta eficiencia en esos rangos espectrales. En los casos de ausencia de iluminación solar, tanto en la Luna como para diferentes entornos como naves espaciales o puestos avanzados en Marte, el concepto de los 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 pedido razonable.

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María G. Pelizzo

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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 noviembre 2022

Aceptado: 18 de mayo de 2023

Publicado: 23 mayo 2023

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

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