Electrónica, Electricidad y Telecomunicaciones: El combate al Covid 19 con luz ultravioleta

El covid-19, la enfermedad causada por el nuevo coronavirus SARS- CoV- 2, que fue oficialmente declarada pandemia por la Organización Mundial de la Salud, está siendo combatida, al parecer con éxito, por medio de luz ultravioleta, en la función de desinfección. Comenzaremos estudiando las carácterísticas de la luz ultravioleta y luego trataremos de entender la naturaleza del enemigo que pretendemos destruir. Por último, veremos como se realiza la desinfección.

La luz ultravioleta en el espectro electromagnético

En la Fig.1 se muestra el espectro electromagnético y la porción correspondiente a la luz ultravioleta. La luz ultravioleta (UV) es una forma de radiación electromagnética, con una longitud de onda de 10 nm a 400 nm, más corta que la de la luz visible pero más larga que los rayos X. La radiación UV está presente en la luz solar y constituye aproximadamente el 10% de la emisión total de radiación electromagnética del Sol. También es producida por arcos eléctricos y luminarias especiales, como lámparas de vapor de mercurio, lámparas de bronceado y luces negras.

Fig.1 – El espectro electromagnético, conteniendo en él la radiación ultravioleta. Click sobre la imagen para ampliar

Clasificación de la radiación ultravioleta

En la Fig. 2 se muestra la clasificación de la radiación ultravioleta establecida por la ISO - 21348 (Definitions of Solar Irradiance Spectral Categories).

Fig. 2 – Clasificación de la radiación ultravioleta según la ISO - 21348 (Definitions of

Solar Irradiance Spectral Categories): http://www.spacewx.com/pdf/SET_21348_2004.pdf

La irradiación solar de UVA, UVB y UVC

UVA: se cree que la radiación ultravioleta en el rango de 315 nm a 400 nm contribuye al envejecimiento prematuro y a las arrugas de la piel y recientemente se la ha implicado como una causa de cáncer de piel.

UVB: la radiación ultravioleta en el rango de 280 nm a 315 nm es más peligrosa que los rayos UVA y se la ha implicado como la principal causa de cáncer de piel, quemaduras solares y cataratas. Es absorbida en gran parte por la capa de ozono de la atmósfera.

UVC: la radiación ultravioleta en el rango de 100 nm a 280 nm es extremadamente peligrosa pero no alcanza la superficie de la tierra debido a la absorción en la atmósfera por el ozono.

Toda la radiación UVC y gran parte de la UVB emitidas por el sol son absorbidas por la capa de ozono de la Tierra, por lo que casi toda la radiación ultravioleta que se recibe en la Tierra es UVA. Tanto la radiación UVA como la UVB pueden afectar la salud. Aunque la radiación UVA sea más débil que la UVB, penetra la piel más profundamente y es más constante durante todo el año. Debido a que la radiación UVC es absorbida por la capa de ozono de la Tierra, no presenta tanto riesgo, a pesar de ser la que tiene mayor energía y ser la más peligrosa.

Las radiaciones ionizantes y no ionizantes

La energía de un fotón viene dada por la siguiente ecuación:

E = h f (fórmula de Einstein – Planck)

Donde E es la energía del fotón, h es la constante de Planck y f es la frecuencia del fotón.

De acuerdo con esta fórmula, la radiación tendrá mayor energía cuanto mayor sea su frecuencia, lo que puede apreciarse en la Fig. 2.

Cuando las radiaciones tienen una frecuencia y una energía lo suficientemente alta, al chocar con un cuerpo le hacen perder electrones, es decir que ionizan sus átomos. Estas radiaciones de alta potencia se llaman radiaciones ionizantes. Los rayos X, los rayos Gama y las emisiones de radiación ultravioleta de f más alta (λ más baja), son radiaciones ionizantes y son muy perjudiciales para todos los seres vivos.

Todas las radiaciones con λ más largas, son radiaciones no ionizantes.

¿Qué son los virus?

Los virus son agentes infecciosos que necesitan de un organismo vivo para multiplicarse, es decir, son parásitos. No son células pero infectan a todo tipo de células de organismos vivos: animales, plantas, hongos, bacterias y protozoos, hasta se han encontrado como parásitos de otros virus. Son tan pequeños, 100 nanómetros de media (una milésima parte del grosor de un cabello), que no pueden observarse con el microscopio óptico, solo cuando se inventó el microscopio electrónico, en 1931, se pudo tener una imagen de ellos. Al observar con el microscopio electrónico los virus extraídos de un organismo infectado, se pudo comprobar que aparecían múltiples partículas. Cada una de esas partículas víricas era extraordinariamente sencilla, estaba formada por una cubierta hecha de proteína y llamada cápside en cuyo interior se protege el material genético que puede ser ADN (ácido desoxirribonucleico) o ARN (ácido ribonucleico). En algunos tipos de virus las partículas tienen también un envoltorio lipídico, es decir formado por lo que normalmente llamamos grasas, que roban de las membranas de las células que infectan. En el caso del nuevo coronavirus SARS- CoV- 2 el material genético es ARN y está recubierto por una capa de grasa.

Todos los seres vivos están constituídos por células y hay dos típos principales de células: las células procariotas (constitutivas de las bacterias) y las células eucariotas* (constitutivas de los animales, vegetales, hongos y algas. El ADN y el ARN están presentes tanto en las células procariotas, como en las eucariotas. Los virus no están vivos ni muertos. No están vivos porque no pueden reproducirse por sí mismos, y no están muertos, porque pueden entrar en las células de los seres vivos, secuestrar su mecanismo y replicarse. ¿Cuál es la diferencia entre un virus y una bacteria?: Las bacterias son autónomas, tienen paredes celulares y pueden sobrevivir y replicarse por sí mismas. Los virus son moléculas de ADN o de ARN, que pueden estar desnudas o encapsuladas y requieren un hospedador para replicarse. No se pueden tratar con antibióticos y requieren una vacuna.

* Una célula eucariota humana tiene un tamaño entre 10µm y 100 µm.

Cómo es y como ataca el nuevo coronavirus SARS-CoV-2

En la Fig. 3 se muestra una vista esquemática exteror del nuevo coronavirus SARS-CoV-2 y en la Fig. 4 se muestra el mecanismo esquemático, simplificado y resumido del contagio del covid-19 a una célula humana, tal como lo publicó la BBC de Londres.

Fig. 3 – Vista esquemática exterior

del coronavirus SARS-CoV-2

Las proteínas S son las “puntas” que le confieren ese aspecto de corona al virus y son las que interaccionan con los receptores específicos (ACE2) de la membrana de las células humanas, encajando como una llave en una cerradura. Los coronavirus utilizan las proteínas S, que forman esas puntas en su exterior, para unirse a una proteína enzimática celular llamada ACE2. Esta enzima está situada en la superficie de las células de las mucosas de pulmones, arterias, corazón, riñón e intestinos y tiene la función de regular la presión sanguínea, pero el virus lo emplea como puerta de entrada al contexto celular.

Una vez adentro de la célula humana (hospedador), el virus (huésped) se mueve a sus anchas porque lleva consigo su propia réplica que le permitirá hacer múltiples copias de su genoma (hasta 100.000 copias en cada célula), porque el alfabeto de la información que lleva en su ARN (Ácido ribonucleico) es el mismo que utilizamos los humanos.

Fig. 4 – Mecanismo de contagio resumido y simplificado del Covid 19 con el ser humano.

Fuente: https://www.bbc.com/mundo/noticias-51921093

¿Cómo se contagia el covid-19?

Al toser, estornudar, o simplemente hablando, las personas infectadas con covid - 19 pueden expulsar gotas de saliva o moco llenas del virus, lo que produce un efecto de aerosol, pudiendo permanecer flotando en el aire durante cierto tiempo y eventualmente, podría infectar a otras personas o alojarse en superficies cercanas, donde el patógeno se mantiene infeccioso durante horas y hasta días. (Fig. 5)

Fig. 5 – Transmisión de los virus por el aerosol producido

por estornudo, tos o simplemente hablando. Pulverización

de gotitas.

Por ello, desde la Organización Mundial de la Salud, recomendaron que las personas utilicen mascarillas (también llamados barbijos o tapa bocas) para reducir la propagación del virus.

El germen entra al cuerpo a través de la nariz, la boca o los ojos, y después, se aferra a las células en las vías respratorias aéreas que producen una proteína llamada ACE2, como se vió anteriormente.

El SARS-CoV-2 es el último de los coronavirus descubiertos hasta el momento, los cuales componen la familia “coronaviridae”. Al menos hay otros seis tipos de coronavirus que se sabe que infectan a los humanos; algunos causan el resfrío común.

Los coronavirus SARS-CoV-2 tienen una membrana lipídica (grasa) que confiere a la partícula una estabilidad relativamente baja, sobre todo si se la compara con la partícula desnuda del virus del resfrío común. Eso hace que sea relativamente fácil eliminarlos de las manos mediante soluciones jabonosas y correcta higiene de manos.

La membrana lípida del coronavirus contiene tres proteínas: la proteína S permite al virus penetrar en las células, la proteína E es clave para infectar a otras células y la proteína N les permite camuflar el material genético.

Como se combate con luz ultravioleta el nuevo coronavirus SARS- CoV- 2.

El método consiste en irradiar UVC mediante lámparas germicidas, sobre sitios de uso público, en momentos en que las personas no se encuentren en ellos. De esta menera se irradia UVC en el interior de vagones de tren, en hospitales, en el interior de ómnibus de transporte públco, en tiendas, bancos, etc.

Esto destruye el ARN del SARS – CoV – 2, lo que desactiva completamente al virus.

Signify (ex Philips Lighting) y la Universidad de Boston validaron la efectividad de las fuentes de luz UV-C para desactivar el SARS – CoV – 2 en un Comunicado que Ud podrá leer completo en el siguiente lnk: https://www.signify.com/es-ar/our-company/news/press-releases/2020/20200616-signify-boston-university-validate-effectiveness-signify-uvc-light-sources-on-inactivating-virus-that-causes-covid19 y que incluye la siguiente frase:

“Desde el comienzo de la pandemia del SARS – CoV-2, el Dr. Anthony Griffiths, profesor asociado de microbiología en la Facultad de Medicina de la Universidad de Boston, y su equipo, han estado trabajando en el desarrollo de herramientas para apoyar el avance científico en este campo. Durante la investigación, trataron el material contaminado por el virus causante del COVID-19, con diferentes dosis de radiación UV-C proveniente de una fuente de luz Signify y evaluaron la capacidad de desactivación y/o anulación en diversas condiciones. El equipo aplicó una dosis de 5 MJ (Megajoules) / cm2, lo que trajo como resultado una reducción del virus SARS-CoV-2 del 99% en 6 segundos. Con base en estos datos, se determinó que una dosis de 22 MJ / cm2 minimizará, en consecuencia, un 99,9999% en 25 segundos.”

Lámparas Germicidas

Son lámparas que generan energía en el espectro UV para destruir bacterias, hongos y virus, desactivando su ADN o ARN. Las usadas con exclusividad son las lámparas que contienen mercurio.

Lámparas que contienen mercurio

Las lámparas de esta tecnología se llaman lámparas de mercurio o amalgama, porque contienen pequeñas cantidades de mercurio puro o una amalgama, es decir, una aleación de mercurio con otro elemento, típicamente indio y galio (aunque también se puede usar bismuto). El objetivo de este aditivo es controlar la presión de vapor de mercurio. Junto con el vapor de mercurio, la lámpara contiene un gas de arranque, generalmente argón. Hay dos categorías de lámparas en esta tecnología, basadas en la presión a la que se mantiene el vapor de mercurio:

1) Lámparas de baja presión, que funcionan con aproximadamente 1 Pa.

2) Lámparas de media o alta presión, para las cuales la presión es superior a 100 kPa.

Las lámparas de mercurio de baja presión generan radiación UV en un espectro más estrecho (con picos a 185 nm y 254 nm, las dos líneas de resonancia del mercurio) en comparación con las lámparas de alta presión, que también se llaman lámparas de descarga de alta intensidad y que generan altos niveles de radiación UV en un amplio rango espectral. Las lámparas de mercurio de baja presión utilizadas para la generación de UV-C son similares a las lámparas fluorescentes, que también son lámparas de descarga de mercurio de baja presión. Los balastos comunes y demás accesorios de las lámparas UV-C y fluorescentes permiten el uso de la misma instalación con ambas lámparas. Aunque esto puede ser muy conveniente en muchos casos, puede representar un peligro en otros, especialmente cuando se reemplaza una lámpara con el tipo incorrecto. La principal diferencia entre las lámparas germicidas y las lámparas fluorescentes es su recubrimiento envolvente: en las lámparas fluorescentes, la pared de vidrio está recubierta internamente con fósforos que absorben la radiación UV y reemiten radiación en el rango de luz visible.

Falta el revestimiento de fósforo en las lámparas UV-C: el vidrio utilizado, típicamente cuarzo, es transparente a todas las longitudes de onda UV y permite que se emita la radiación de los dos picos de mercurio en UV-C. Sin embargo, es posible usar otro tipo de vidrio, es decir, vidrio blando (vidrio de sodio-bario), que absorbe el pico de 185 nm y transmite solo el pico de radiación de 254 nm. La radiación UV-C cerca de 185 nm puede producir ozono; por lo tanto, también es bastante común clasificar las lámparas de mercurio de baja presión con este criterio en:

• Lámparas sin ozono, con una longitud de onda máxima de 254 nm solamente

• Lámparas generadoras de ozono, con una longitud de onda máxima a 185 nm.

Sin embargo, también se utilizan generadores de ozono junto con lámparas UV-C18. El tipo más común de lámpara de mercurio es una lámpara de cátodo caliente, aunque también existen lámparas con cátodos fríos. Los cátodos generalmente están recubiertos con material emisor de electrones que se erosiona cuando la lámpara se usa por primera vez y continúa evaporándose durante el uso de la lámpara. La vida útil de una lámpara de cátodo caliente está determinada por la tasa de pérdida de este recubrimiento electro emisivo. La lámpara alcanza el final de su vida útil cuando el recubrimiento se elimina por completo de al menos uno de los electrodos, de modo que no se puede establecer una corriente.

Diodos emisores de luz UV-C (LED UV-C)

Un diodo emisor de luz (LED) es una fuente de luz compacta que consiste en materiales semiconductores compuestos como arseniuro de galio (GaAs), fosfuro de galio (GaP), fosfuro de indio (InP) y nitruro de aluminio (AlN), que también se emiten en la parte UV. del espectro electromagnético. El dopaje puede desplazar las líneas espectrales emitidas hacia la región UV-C. Por ejemplo, las lámparas LED AlGaN emiten en el rango de longitud de onda de 247 - 280 nm; Las lámparas LED AlBN emiten a 214 nm. Los LED UV-C funcionan con voltajes de CC bajos. Son ecológicos, pero todavía no son tan eficaces como las lámparas de mercurio.