La pandemia de COVID-19 ha incrementado en gran medida el interés por la radiación ultravioleta con capacidades germicidas para la desinfección del aire y superficies. Sin embargo, y aunque se trata de una tecnología que lleva muchos años en el mercado, su baja utilización en el pasado y el exponencial crecimiento y necesidades marcadas por la COVID hacen que esta tecnología tenga que afrontar importantes retos de I+D para su consolidación y desarrollo.

En este contexto, en el mes de diciembre de 2020, diecinueve expertos en diferentes aspectos de la irradiación ultravioleta germicida (GUV – Germicidal UltraViolet) se reunieron por invitación del Departamento de Energía de EE.UU (DOE) para ayudar a identificar las áreas temáticas de I+D críticas en este campo, desde la fotobiológica y los diseños de aplicaciones, hasta aspectos relacionados con las luminarias y fuentes UVC. 

Entre los participantes se encontraban expertos invitados en disciplinas científicas y tecnológicas relacionadas con las GUV procedentes del mundo académico, las agencias gubernamentales y la industria. Los debates que surgieron a raíz de las presentaciones de cada uno de los expertos ofrecen una valiosa perspectiva del actual mercado y desarrollo tecnológico de las soluciones GUV y los retos de futuro de esta incipiente industria. A continuación, hacemos un recorrido por las principales conclusiones y temas abordados durante el encuentro:

Fuentes UVC 

En la actualidad las lámparas de mercurio son las fuentes de luz que dominan el mercado, mientras que el LED está surgiendo como una alternativa viable a corto periodo de tiempo para su uso en la mayoría de aplicaciones GUV. 

Las lámparas de vapor de mercurio de baja presión tienen una alta eficiencia (30-40%), un bajo coste, una gran variedad de tamaños y formas, y mucha experiencia de campo, pero también contienen mercurio, que es contaminante. En estas lámparas se utiliza vidrio de cuarzo para filtrar los picos generadores de ozono, dejando así la línea de emisión UVC de 254 nm. La vida útil de las lámparas suele ser de unas 9.000-10.000 horas.

Las lámparas de excímero de KrCl proporcionan un pico de longitud de onda más bajo, en torno a los 222 nm, lo que tiene ventajas potenciales para reducir el riesgo para la piel y los ojos. Estas lámparas también deben filtrar los picos de baja longitud de onda (que crean ozono), por lo que la eficiencia de la fuente disminuye de ~ 6-8% sin filtrar a 2-3% una vez filtrada. La vida útil de estas lámparas de excímero de KrCl es de entre 3.000 y 5.000 horas.

Aunque los actuales LEDs UVC son menos eficientes que las fuentes de mercurio y de excímero, tienen potencialmente mucho margen de mejora, a diferencia de las lámparas existente que ya han llegado a su límite tecnológico. 

Los asistentes señalaron a los LED UVC basados en AlGaN como apuesta principal de I+D en cuanto a las fuentes de luz GUV. “Aunque las eficiencias actuales son bajas (aproximadamente un 2,4% de eficiencia de conversión de potencia a 260 nm), el gran desarrollo realizado durante las dos últimas décadas en los semiconductores basados en GaN para los LEDs visibles proporcionan una sólida base para un importante mejora de rendimientos”. 

Entre las áreas específicas de mejora que se mencionaron aspectos relacionados con el control de los defectos en el crecimiento de la heteroestructura de AlGaN y las plantillas de crecimiento de baja densidad de dislocaciones, las capas epitaxiales de tipo p transparentes a la luz ultravioleta y los materiales de contacto p, los contactos óhmicos de tipo p, la mejora de la extracción de luz (fotones) y los encapsulantes transparentes a la luz ultravioleta (para paquetes).

Los tiempos de vida útil también tienen el potencial de superar a las de las lámparas UV convencionales. Los dispositivos disponibles hoy en día tienen una variedad de tiempos de vida que van desde las 4.000 horas hasta las 10.000 horas para los LED de 280 nm.

Estabilidad de los materiales

La radiación UVC afecta y es dañina para muchos polímeros comunes, y así muchos tejidos , pinturas y materiales orgánicos se ven afectados y sufren daños bajo una exposición prolongada a esta radiación. Asimismo, los fotones UVC de mayor energía también pueden degradar los propios materiales utilizados en la construcción de las luminarias (ópticas, reflectores, difusores, etc.). Es por ello, que es muy importante comprender mejor los problemas de degradación de los materiales bajo la excitación UVC para permitir que los sistemas GUV tengan una larga vida útil y evitan que se dañen objetos y materiales en el espacio a desinfectar. 

Se señaló en el encuentro la necesidad de una mayor investigación para desarrollar nuevos materiales con una mayor resistencia a los rayos UVC y se propuso la creación de una biblioteca de propiedades de degradación de materiales comunes bajo la irradiación UVC, que permite ayudar a los fabricantes de luminarias GUV, a los diseñadores de iluminación y a los instaladores y planificadores comprender mejor las implicaciones relacionadas con incorporar sistemas GUV en los edificios. 

Modelización y caracterización de la radiación UVC 

En lo que respecta a los retos actuales relacionados con el modelado y cálculo de las necesidades radiométricas de UVC, se señala como es necesario un importante trabajo de desarrollo para mejorar los paquetes software de modelado GUV, que permitan la inclusión de modelos de dinámica de fluidos computacional para abordar los impactos del flujo de aire, el desarrollo de datos de reflectancia de la superficie en las longitudes de onda de UVC (se requiere un catálogo de materiales arquitectónicos) y el desarrollo de un medidor de irradiancia esférica virtual para calcular la tasa de fluencia.

“Uno de los retos de las mediciones UV es el acceso a las muestras de calibración necesarias para calibrar el flujo radiante de las esferas integradoras en el rango UVC. Otro problema es la optimización del revestimiento reflectante de politetrafluoroetileno (PTFE) de las esferas integradoras para la baja fluorescencia de las fuentes UVC. Además, el rendimiento del detector de UV ha mostrado niveles variables de precisión debido al mal comportamiento de la respuesta del coseno que conduce a lecturas inexactas en la geometría de medición 2π”, señalan los participantes. 

Ya se están produciendo iniciativas que están trabajando en mejorar estas modelizaciones;  así, la Illuminating Engineering Society (IES) y la International Ultraviolet Association (IUVA) firmaron un memorando de entendimiento (MOU) en 2020 para reunir a expertos en la medición de las emisiones UVC con el fin de desarrollar normas nacionales americanas (ANSI Standards) para la medición y caracterización del rendimiento de los dispositivos UVC. 

Comprender la eficacia fotobiológica

Los participantes también tuvieron un intenso debate sobre la necesidad de comprender mejor la eficacia fotobiológica de la radiación germicida UVC, tanto en lo que respecta a la seguridad (la dosis que es segura para los piel y los ojos), como los niveles de dosis que pueden inactivar los patógenos en varias longitudes de onda. 

Muchos de los participantes estuvieron de acuerdo en que sería necesario desarrollar una biblioteca estandarizada de constantes de inactivación (D90) a diferentes longitudes de onda de la radiación UV-C para una amplia gama de patógenos en todos los estados: superficial, acuoso, aerosol, etc. 

Otra área de desarrollo es la determinación de los criterios de dosificación para desinfectar eficazmente las superficies y/o el aire en la aplicación. Entre las cuestiones que se debatieron está la de cómo definir los parámetros que entran en los criterios de dosificación, por ejemplo, el volumen de la sala frente al volumen irradiado o la cuantificación de la mezcla de aire. ¿Cómo afectan las diferentes geometrías de la sala/espacio a la eficacia y, por tanto, a los criterios de dosificación?

Además, los expertos consideraron que se necesita una mayor investigación respecto al tiempo-movimiento para la aplicación racional de los valores límite de exposición a la radiación UV. Se necesitarían más evidencias que pudiesen contestar con certeza a preguntas claves como: ¿cuánta exposición es segura teniendo en cuenta la duración y el movimiento de los ocupantes en un espacio concreto? ¿Debe considerarse estos límites como una media de 8 horas o como una dosis diaria? ¿Qué altura de los ojos es adecuada? ¿Cómo determinar si/cuando se debe «ajustar» para los individuos fotosensibles? Si la GUV se aplica a un entorno no ocupacional como escuelas, lugares de culto, hogares, instalaciones sanitarias, etc., ¿cómo se puede determinar la dosis acumulada de otras exposiciones diarias?. 

“Comprender las limitaciones y exposiciones seguras en una variedad de casos de uso para crear límites de exposición seguros para diferentes instalaciones sería un paso muy positivo y beneficioso para la adopción general de las soluciones GUV”, concluyen los participantes.  

Despliegue GUV en aplicaciones

Es muy importante que el diseño de los productos GUV tengan en cuenta la eficiencia en aplicación, es decir, la cantidad de radiación UV que llega al objetivo final para la aplicación prevista, ya que este tipo de luminarias suelen ser bastantes ineficientes. 

Es por ello, que es necesario obtener más conocimiento sobre la aplicación de la radiación UV con fines germicidas en una variedad de espacios para crear de forma segura y eficaz diseños GUV dentro del entorno construido. 

Estos espacios de aplicación pueden incluir nuevas implementaciones de instalaciones de radiación UVC de aire superior, su viabilidad en entornos ocupados desafiantes (por ejemplo, en grandes almacenes), donde la zona de respiración está lejos de la zona de “aire superior”, así como la desinfección de los conductos de climatización. 

Además, considerar el diseño del edificio para incorporar las soluciones GUV puede ayudar a mejorar el consumo de energía en el edificio. Por ejemplo, las estrategias de integración para la desinfección del aire pueden equilibrar los sistemas GUV con los equipos de climatización  y con la desinfección de aire superior. Asimismo, la desinfección con UVC aguas arriba de los intercambiadores de refrigeración del sistema de climatización puede ayudar a la desinfección del aire y la UVC aguas abajo de los intercambiadores ayuda a mantenerlas limpias y mejora la eficiencia energética del sistema en general.

“El desarrollo de sistemas sencillos de medición in situ para la configuración, puesta en marcha y validación de las luminarias GUV también es importante para un uso seguro y eficaz”, destacaron los participantes. 

Elaboración de normas y directrices 

El boom que ha supuesto el uso de los sistemas GUV para hacer frente a la pandemia de COVID-19, ha hecho que se tengan que incorporar estas soluciones sin unas normas y directrices claras. Como se ha descrito en las secciones anteriores, se necesitan normas en áreas como las directrices de dosis de UVC (teniendo en cuenta la longitud de onda, el tiempo de movimiento y los tipos de patógenos), los métodos de caracterización de los productos, los procedimientos de medición y las calibraciones de los instrumentos, y una orientación clara para la aplicación de las mejores prácticas en los edificios. 

Asimismo, también se señala como es esencial la formación y la educación sobre lo que es una radiación germicida segura y eficaz. “Es necesario que organismos como el DOE lideren iniciativas que permitan poner un poco de orden en el mercado, con la aparición de productos inseguros y/o ineficaces. Esto puede dar lugar a importantes problemas de aceptación por parte de los usuarios si los productos no funcionan como se anuncia”, señalaron los expertos. 

Puede consultar el documento completo de conclusiones en el siguiente enlace:

https://www.energy.gov/sites/default/files/2021-04/ssl-lighting-rd-mtg-guv-feb2021.pdf

Presentaciones de los participantes:

• Oliver Lawal, Aquisense Technologies: LED R&D Discussion Meeting – GUV
• David Sliney, Independent Consulting Medical Physicist: UV-C for Air Disinfection – Research Needs
• Bob Karlicek, Rensselaer Polytechnic Institute: UVGI – Recent Work, Future Directions
• Ed Nardell, Harvard University: UV Air Disinfection – R&D Priorities
• Paul Jensen, FAI: UVC LED R&D Priorities
• Dean Saputa, UV Resources: UV-C Coil-Surface Cleaning
• Ian Ashdown, SunTracker Technologies Ltd.: Virtual Dosimetry: Predicting UV-C Fluence
• Richard Vincent, Mount Sinai Hospital New York: Upper Room GUV Air Disinfection
• Jeremy Yon, GE Current, a Daintree company: U.S. DOE LED R&D – GUV
• Douglas Hamilton, Hubbell Lighting: GUV Is Here To Stay!!!
• Mark Hand, Acuity Brands: UV Lighting SSL R&D
• Holger Claus, Ushio America Inc.: GUV Opportunities and challenges
• Jim Gaines, Signify: Research in GUV
• Michael Krames, Arkesso: Ultra-Violet Germicidal Irradiation (UVGI): LEDs vs. Hg Lamps
• Erik Swenson, Nichia: Nichia’s GUV LED Focus
• Michael Kneissl, TU Berlin & Ferdinand-Braun-Institute: The prospects of AlGaN-based deep UV LED technologies
• Steve DenBaars, University of California Santa Barbara: Essential Development Needs for GUV LEDs
• Denan Konjhodzic, Instrument Systems, Konica Minolta Group: Calibration of UV Measuring Equipment
• Cameron Miller, National Institute of Standards and Technology: NIST UVC Activities