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Collettore solare di luce ultravioletta per l'irradiazione germicida sulla Luna

Apr 29, 2023Apr 29, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8326 (2023) Citare questo articolo

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Si prevedono missioni prolungate con equipaggio umano sulla Luna come porta d’accesso per Marte e la colonizzazione degli asteroidi nei prossimi decenni. I rischi per la salute legati alla permanenza prolungata nello spazio sono stati parzialmente studiati. I rischi dovuti ai contaminanti biologici presenti nell'aria rappresentano un problema rilevante nelle missioni spaziali. Un modo possibile per eseguire l'inattivazione degli agenti patogeni è utilizzare la gamma di lunghezze d'onda più corta della radiazione ultravioletta solare, la cosiddetta gamma germicida. Sulla Terra viene totalmente assorbito dall'atmosfera e non raggiunge la superficie. Nello spazio, tale componente solare ultravioletta è presente ed è possibile ottenere un'irradiazione germicida efficace per l'inattivazione degli agenti patogeni presenti nell'aria all'interno di avamposti abitabili attraverso una combinazione di rivestimento interno altamente riflettente e geometria ottimizzata dei condotti dell'aria. Il collettore solare ultravioletto per l'irradiazione germicida sulla Luna è un progetto il cui scopo è raccogliere la radiazione solare ultravioletta e utilizzarla come fonte per disinfettare l'aria ricircolante degli avamposti umani. Le posizioni più favorevoli dove collocare questi collettori sono sopra le cime ai poli della Luna, che hanno la particolarità di essere esposte alla radiazione solare per la maggior parte del tempo. Nell'agosto 2022, la NASA ha comunicato di aver identificato 13 regioni candidate all'atterraggio vicino al Polo Sud lunare per le missioni Artemis. Un altro vantaggio della Luna è la sua bassa inclinazione rispetto all'eclittica, che mantiene l'altezza apparente del Sole all'interno di un intervallo angolare ridotto. Per questo motivo, la radiazione solare ultravioletta può essere raccolta attraverso un collettore solare semplificato o anche un collettore statico e utilizzata per disinfettare l'aria riciclata. Per supportare l'idea proposta sono state eseguite simulazioni fluidodinamiche e ottiche. I tassi di inattivazione attesi per alcuni agenti patogeni presenti nell'aria, comuni o trovati sulla Stazione Spaziale Internazionale, vengono riportati e confrontati con l'efficienza del dispositivo proposto. I risultati mostrano che è possibile utilizzare la radiazione solare ultravioletta direttamente per la disinfezione dell’aria all’interno degli avamposti lunari e fornire un ambiente di vita sano agli astronauti.

I programmi di esplorazione spaziale per il prossimo futuro prevedono di riportare l'uomo sulla superficie della Luna. In particolare, il programma Artemis della NASA mira a portare la prima donna e il prossimo uomo sulla Luna entro il 2024 per la prima missione a lungo termine1. Un obiettivo stabilito per diverse agenzie e organizzazioni è colonizzare la Luna e costruire avamposti sulla superficie lunare2. Nel lungo periodo, l'obiettivo è portare l'uomo su Marte: gli esperimenti che verranno condotti sulla Luna servono, in parte, a supportare le future missioni su Marte. La lunga durata e l’esplorazione del volo spaziale umano pongono molte sfide significative che espongono gli astronauti ad ambienti con rischi incerti e sconosciuti per la loro salute. Potenziali rischi biologici, chimici e fisici vengono posti in ogni fase di una missione3,4,5,6. Attualmente, la Stazione Spaziale Internazionale (ISS), con personale ininterrotto da quando il primo equipaggio residente è entrato nella struttura il 2 novembre 2000, è l'unico ambiente di vita e di lavoro orbitale al di fuori dell'atmosfera terrestre. Gli studi condotti all'interno della ISS fanno riferimento a potenziali rischi per la salute durante i voli spaziali7,8,9. Nei prossimi anni sono previste pubblicazioni e resoconti degli esperimenti a bordo della stazione spaziale cinese Tiangong, dotata di equipaggio dal 202110. Sono disponibili pubblicazioni di altri veicoli spaziali a breve termine, come lo Space Shuttle.8,11 Tra le considerazioni sulla salute, i rischi sono posti dall'esposizione a contaminanti ambientali, biologici e chimici presenti nell'aria a bordo dei veicoli spaziali, che potrebbero essere gli stessi all'interno dei moduli abitabili della futura Luna. I contaminanti biologici possono essere correlati a infezioni, allergie ed effetti tossici. Nonostante la maggior parte dei microrganismi non minacci la salute umana e probabilmente svolgerà un ruolo essenziale (ad esempio, bonifica dei rifiuti, purificazione dell'acqua e dell'aria, fonti di cibo nelle missioni a lungo termine), i microrganismi possono produrre effetti negativi sulla salute dei membri dell'equipaggio, dovuti in particolare al deficit del sistema immunitario degli astronauti12 e ai cambiamenti delle caratteristiche molecolari e biochimiche dei microrganismi13,14,15.

0.9\) over the UVC range and at longer UV wavelengths, with a smooth surface to avoid scattered light. Another more expensive solution is the deposition of a multilayer coating optimised for UVC./p> 0.9, or the Polytetrafluoroethylene (PTFE)104, which is reported to have an R = 0.95 at 275 nm and a Lambertian scattering distribution (all incident rays are diffused with equal probability anywhere in the unit semicircle independently of the incidence angle). As described in Lombini et al.105, a Lambertian scattering of the internal surfaces produces the FR distribution inside the volume to be smoothed and more uniform. Another strategy to increase the germicidal efficiency of the duct is to act on the pathogens’ residence time. This is possible by optimising the duct geometry. For both the proposed concentrator types, the irradiation zone has a section doubled compared to the inlet and outlet duct section diameter, reducing the airspeed in the filter and consequently increasing the air residence time t106. The other sides of the air duct are supposed to have the internal sides coated with poorly reflective UV material, even though a more prolonged, highly reflective section would increase the inactivation efficiency. Direct exposure to the UVC light from the duct apertures should be avoided due to its harmful effects on humans107,108. For this reason, we have considered a limited duct portion coated with reflective material, which reduces the possibility of light leaks. An optimised UVC filter length will be taken into account for specific application cases. The "Results and discussions" Section briefly discusses the system performance when varying some CPC parameters./p> 1\) in some simulations, showing the tendency to separate from the primary fluid flow. Due to the assumed slow rates, the different size particles showed very little difference in the velocity and behaviour inside the duct, making the result independent of their size./p>