Solarer UV-Lichtkollektor zur keimtötenden Bestrahlung auf dem Mond

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 8326 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Längere Missionen mit menschlicher Besatzung auf dem Mond sollen in den nächsten Jahrzehnten als Einfallstor für die Besiedlung des Mars und von Asteroiden dienen. Gesundheitsrisiken im Zusammenhang mit einem Langzeitaufenthalt im Weltraum wurden teilweise untersucht. Gefahren durch luftgetragene biologische Schadstoffe stellen ein relevantes Problem bei Weltraummissionen dar. Eine Möglichkeit zur Inaktivierung von Krankheitserregern besteht in der Nutzung des kürzesten Wellenlängenbereichs der ultravioletten Sonnenstrahlung, des sogenannten keimtötenden Bereichs. Auf der Erde wird es vollständig von der Atmosphäre absorbiert und erreicht nicht die Oberfläche. Im Weltraum ist eine solche ultraviolette Solarkomponente vorhanden und durch eine Kombination aus hochreflektierender Innenbeschichtung und optimierter Geometrie der Luftkanäle kann eine wirksame keimtötende Bestrahlung zur Inaktivierung luftübertragener Krankheitserreger in bewohnbaren Außenposten erreicht werden. Der Solar Ultraviolet Light Collector for Germicidal Irradiation on the Moon ist ein Projekt, dessen Ziel es ist, ultraviolette Sonnenstrahlung zu sammeln und sie als Quelle zur Desinfektion der Umluft der menschlichen Außenposten zu nutzen. Die günstigsten Standorte für die Platzierung dieser Kollektoren sind über den Gipfeln der Mondpole, die die Besonderheit haben, dass sie die meiste Zeit der Sonnenstrahlung ausgesetzt sind. Im August 2022 teilte die NASA mit, dass sie 13 mögliche Landeregionen in der Nähe des Mondsüdpols für Artemis-Missionen identifiziert habe. Ein weiterer Vorteil des Mondes ist seine geringe Neigung zur Ekliptik, wodurch die scheinbare Höhe der Sonne in einem reduzierten Winkelbereich bleibt. Aus diesem Grund kann die ultraviolette Sonnenstrahlung durch einen vereinfachten Sonnenkollektor oder sogar einen statischen Kollektor gesammelt und zur Desinfektion der recycelten Luft verwendet werden. Zur Unterstützung der vorgeschlagenen Idee wurden strömungsdynamische und optische Simulationen durchgeführt. Die erwarteten Inaktivierungsraten für einige in der Luft befindliche Krankheitserreger, die entweder häufig vorkommen oder auf der Internationalen Raumstation vorkommen, werden gemeldet und mit der vorgeschlagenen Geräteeffizienz verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, ultraviolette Sonnenstrahlung direkt zur Luftdesinfektion in den Mondaußenposten zu nutzen und den Astronauten ein gesundes Lebensumfeld zu bieten.

Die Weltraumforschungsprogramme für die nahe Zukunft beinhalten die Rückkehr von Menschen zur Mondoberfläche. Insbesondere das Artemis-Programm der NASA zielt darauf ab, bis 2024 die erste Frau und den nächsten Mann für die erste Langzeitmission auf den Mond zu bringen1. Ein etabliertes Ziel verschiedener Behörden und Organisationen ist die Kolonisierung des Mondes und der Aufbau von Außenposten auf der Mondoberfläche2. Langfristig besteht das Ziel darin, Menschen zum Mars zu bringen: Die Experimente, die auf dem Mond durchgeführt werden, sollen unter anderem zukünftige Marsmissionen unterstützen. Die lange Dauer und Erforschung der bemannten Raumfahrt stellt Astronauten vor große Herausforderungen und setzt sie Umgebungen mit ungewissen und unbekannten Risiken für ihre Gesundheit aus. In jeder Phase einer Mission bestehen potenzielle biologische, chemische und physikalische Gefahren3,4,5,6. Derzeit ist die Internationale Raumstation (ISS), die seit dem Betreten der Anlage am 2. November 2000 durch die erste ortsansässige Besatzung kontinuierlich besetzt ist, die einzige orbitale Lebens- und Arbeitsumgebung außerhalb der Erdatmosphäre. Studien, die innerhalb der ISS durchgeführt wurden, weisen auf mögliche Gesundheitsrisiken bei Raumflügen hin7,8,9. Veröffentlichungen und Berichte von Experimenten an Bord der seit 2021 bemannten chinesischen Raumstation Tiangong werden in den nächsten Jahren erwartet10. Veröffentlichungen von anderen kurzfristigen Raumfahrzeugen wie dem Space Shuttle sind verfügbar8,11 Unter gesundheitlichen Gesichtspunkten birgt die Exposition gegenüber luftgetragenen Umwelt-, biologischen und chemischen Schadstoffen an Bord von Raumfahrzeugen Risiken, die auch in den bewohnbaren Modulen des zukünftigen Mondes auftreten könnten. Biologische Schadstoffe können mit Infektionen, Allergien und toxischen Wirkungen in Zusammenhang stehen. Obwohl die meisten Mikroorganismen keine Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen und wahrscheinlich eine wesentliche Rolle spielen werden (z. B. Abfallbeseitigung, Wasser- und Luftreinigung, Nahrungsquellen auf Langzeitmissionen), können Mikroorganismen insbesondere aufgrund von schädlichen Auswirkungen auf die Gesundheit von Besatzungsmitgliedern auftreten zum Immunsystemmangel von Astronauten12 und zu Veränderungen der molekularen und biochemischen Eigenschaften von Mikroorganismen13,14,15.

Um die Möglichkeit einer Innenkontamination an Bord von Raumfahrzeugen zu verringern, werden derzeit vorbeugende Maßnahmen durchgeführt: Gesundheitschecks von Astronauten vor dem Abflug, Impfungen, Quarantäne, mikrobiologische Kontrolle von Lebensmitteln, Kontrolle des an Bord gesendeten Materials, Maßnahmen zur Verbesserung der persönlichen Hygiene, Umgebungsdesinfektion7,11. Für die Luftdesinfektion können verschiedene Geräte verwendet werden, die mit Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC) gekoppelt sind oder nicht. Unter den zahlreichen Desinfektionsmethoden, die entwickelt wurden, werden wir uns auf die ultraviolette keimtötende Bestrahlung (UVGI) durch UVC-Licht (200–280 nm) konzentrieren, die viele Mikroorganismen wie Viren, Bakterien, Protozoen, Pilze, Hefen und Algen inaktiviert16. 17. Bei der UVC-Absorption werden die Pyrimidine in RNA oder DNA hauptsächlich in Pyrimidin-Dimere umgewandelt (aber es wird auch die Vernetzung zwischen Nukleinsäuren und Proteinen aufgebrochen). Wenn die Dimerpopulation ausreichend hoch ist, treten Transkriptionsfehler auf, die letztendlich zur Inaktivierung der Replikation von Mikroorganismen führen. Die Effizienz der UVC-Bestrahlung bei der Inaktivierung von Mikroorganismen hängt von mehreren Faktoren ab, da die erforderliche Dosis von den Faktoren abhängt, die für verschiedene Mikroorganismen dem UVC-Licht innewohnen18,19,20. Darüber hinaus hängt die Inaktivierungsrate von der Bestrahlungswellenlänge21, dem Abstand von der Quelle22, der Expositionszeit23, der relativen Luftfeuchtigkeit (RH)24,25 und einer angemessenen Staubfilterung26 ab, die Licht absorbiert und streut und so Krankheitserreger abschirmt. In diesem Rahmen haben die Autoren Studien zu hochwirksamen UVGI-Geräten durchgeführt, die das Konzept der Leistungsdichtesteigerung der UVC-Quellen innerhalb eines Volumens (des Luftkanals) aufgrund eines hohen Reflexionsvermögens der Innenflächen nutzen27,28,29,30 ,31. Anders als Wasser sind Luftbestandteile bei den verwendeten Wellenlängen sehr transparent32 und die UVC-Absorption durch die Krankheitserreger ist aufgrund ihrer sehr geringen Konzentration minimal33. Da keine sekundären Effekte entstehen, kann die UVC-Lichtdosis gemäß dem Bunsen- und Roscoe-Gesetz34 nach jeder der zahlreichen internen Reflexionen „stückweise“ verabreicht werden. Anders als bei Anwendungen auf der Erde, bei denen die UVC-Quellen künstlich sind (z. B. Quecksilberdampflampen oder LEDs), besteht unsere Idee darin, erstmals den UVC-Anteil der Sonnenstrahlung direkt als Quelle35 für die Luftdesinfektion im Inneren zu nutzen bewohnbares Modul der Mondaußenposten36. Der solare Ultraviolett-Lichtkollektor für die keimtötende Bestrahlung des Mondes (SAILOR Moon) ist ein Projekt, bei dem der UVC-Anteil der Sonnenstrahlung gesammelt wird und zur Quelle für UVGI wird, was durch die Besonderheit der Mondpole im Verhältnis zu längerer Sonneneinstrahlung ermöglicht wird . Durch die Ausnutzung der durch hochreflektierende Innenflächen erzeugten erhöhten Leistung im Luftkanal ist es möglich, ausreichend Leistung zu erhalten, um in der Luft befindliche Krankheitserreger wirksam zu inaktivieren. Ziel der Studie war es, mithilfe von Simulationen zu zeigen, dass es möglich ist, eine wirksame Inaktivierung von Krankheitserregern zu erreichen, indem ausschließlich das UVC-Band der Sonnenstrahlung genutzt wird. Darüber hinaus haben wir ein neues Konzept eines statischen Solarkonzentrators für eine spezifische Anwendung an den Polen des Mondes eingeführt, das sehr effektiv zu sein scheint. Wir hoffen, eine mögliche Alternative zu den aktuellen oder vorgeschlagenen Desinfektionssystemen für bewohnbare Mondmodule und allgemeiner für längere bemannte Missionen im Weltraum bereitzustellen. Das vorliegende Papier ist wie folgt aufgebaut: Es erfolgt eine Beschreibung potenzieller Gefahren für einen langfristigen Aufenthalt im Weltraum und ein kurzer Überblick über die an Bord der ISS gefundenen Krankheitserreger. Anschließend werden die Sonneneinstrahlungsbedingungen auf dem Mond und das SAILOR-Mond-Konzept beschrieben und die Leistung der Inaktivierungseffizienz des Krankheitserregers durch optische und CFD-Simulationen berichtet. Die Simulationsergebnisse werden mit der erforderlichen UV-Dosis für einige luftgetragene Krankheitserreger verglichen. Während das Ziel dieses Papiers darin besteht, der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine neuartige Idee vorzustellen, wurde die Studie unter der Annahme einiger Modellvereinfachungen durchgeführt, die am Ende des Abschnitts „Ergebnisse und Diskussionen“ beschrieben werden.

Zu den potenziellen Gesundheitsrisiken bei Raumflügen gehören kurzfristige Gesundheitsfolgen durch den Aufenthalt in der Schwerelosigkeit (z. B. Übelkeit, verschwommenes Sehen) sowie langfristige Gesundheitsfolgen, die Monate oder Jahre nach einem Flug auftreten oder anhalten (z. B. strahlenbedingte Krebserkrankungen, Verlust der Knochenmasse)6,12. Astronauten befinden sich seit langem unter Schwerelosigkeitsbedingungen und sind einer Schwächung des Immunsystems ausgesetzt. Die Mikrogravitation bestimmt die Veränderung der Verteilung zirkulierender Leukozyten, die Produktion von Zytokinen, die Funktion natürlicher Killer- und T-Zellen, die Granulozytenfunktion, den Immunglobulinspiegel, die virusspezifische Immunität und eine erhöhte Reaktivierung latenter Viren14,37,38,39, 40,41,42. Darüber hinaus sind Astronauten einer Veränderung der kommensalen Mikrobenpopulation, einer Verringerung der Präsenz anaerober Mikroorganismen und einer Zunahme aerober gramnegativer Bakterien und Staphylokokken auf der Haut, den oberen Atemwegen und dem Dickdarm ausgesetzt43,44,45,46,47,48. Darüber hinaus gibt es Umweltveränderungen, die die Replikation und Virulenz von Mikroorganismen verändern, wie z. B. erhöhtes exponentielles Wachstum, höhere minimale Hemmkonzentrationen gegenüber den verschiedenen Klassen antimikrobieller Wirkstoffe, erhöhte Biofilmbildung und erhöhtes Überleben innerhalb von Makrophagen14,15,49,50,51 ,52,53. Unter diesen Bedingungen sollten alle Mikroorganismen als potenziell pathogen für den Menschen angesehen werden. Auch Mikroorganismen können über Materialschäden entscheiden; Auf der Mir und der ISS durchgeführte Studien zeigten, dass einige Geräte und Strukturmaterialien anfällig für die Ansammlung und Vermehrung biologisch zerstörerischer Bakterien und Pilze sind54,55. Es konnten Schäden an Polymeren und Metallen beobachtet werden. Dies führte zu Fehlfunktionen und sogar zum Bruch bestimmter Einheiten, z. B. Klimaanlagen, Wasserrecyclingsystemen usw., sowie zu einer Verschlechterung der kritischen Materialien des Raumfahrzeugs, was zu einem Systemausfall und einer Gefährdung der Besatzungen führen kann7. Infektionen von Besatzungsmitgliedern oder gesundheitliche Probleme im Zusammenhang mit der pathogenen Wirkung von Mikroorganismen wurden nur selten gemeldet56. Besatzungsmitglieder sind die Hauptquelle von Mikroorganismen, die in der Lage sind, viele Partikel (die möglicherweise biologische Wirkstoffe transportieren) in der Umwelt zu beseitigen, sowohl durch Abschuppung der Haut als auch durch Husten, Niesen, Sprechen, Atmen usw. in einer Umgebung, die mehr geworden ist komplex durch Mikrogravitation42,44,57,58,59,60,61,62 und die Unmöglichkeit des Austauschs mit Primärluft. Daten von Apollo39, Skylab8, dem Space Shuttle50 und der russischen Raumstation Mir40,49 bestätigen, dass Weltraumumgebungen mit menschlicher Besiedlung vereinbar sind. Biologische Nutzlasten, Nachschubfahrzeuge, Hardware und Vorräte sowie Nahrungsmittel oder Pflanzenmaterial sind jedoch zusätzliche Quellen für Mikroorganismen63.

Mikroorganismen sind in den bewohnbaren Modulen von Raumfahrzeugen allgegenwärtig47,50 und breiten sich in geschlossenen Umgebungen unter Schwerelosigkeitsbedingungen über einen langen Zeitraum überall aus7,9,54,64.

Die Biokontamination der Umwelt der ISS wurde seit ihren frühen Bautagen verfolgt und steht seit ihrer ersten Besiedlung unter Beobachtung. Das Hauptaugenmerk wurde auf die Luftqualität und die Oberflächenverschmutzung interner Strukturen gelegt8,65,66. Die Überwachung der mikrobiellen Gemeinschaft an Bord der ISS ist unerlässlich, um Risikofaktoren für die Gesundheit der Besatzungsmitglieder zu bewerten und die materielle Integrität des Raumfahrzeugs zu bewerten8,65,66. Seit Beginn der ISS erfolgt die routinemäßige mikrobielle Überwachung von Oberflächen, Luft und Wasser mithilfe kulturbasierter Techniken11,67. Mithilfe kulturbasierter Analysen kann jedoch nur ein winziger Teil der Organismen nachgewiesen werden, was das Verständnis der Vielfalt der Mikroben einschränkt67. Daher werden für den Einsatz auf der ISS molekulare Methoden wie die quantitative Polymerasekettenreaktion (qPCR) und die gezielte Amplikonsequenzierung entwickelt, die sowohl kultivierbare als auch nicht kultivierbare Organismen identifizieren und quantifizieren und eine gründlichere Beurteilung dessen ermöglichen können, was vorhanden ist und in was Beträge61,68,69,70,71. Ohnehin wird die mikrobielle Überwachung der ISS mit molekularbasierten Methoden nicht routinemäßig eingesetzt, da es an Bord der ISS an einfachen, kompakten und zuverlässigen Instrumenten zur Probenverarbeitung mangelt65,66,67,68. Darüber hinaus wurden neue Ansätze (z. B. New Generation Sequencing-NGS, Proteomik, Echtzeit-PCR) angewendet, die sich mit Echtzeitüberwachung befassen61,68,69,70,71. In diesem Wettbewerb können wir uns das Wissen über Gesundheitseinrichtungen, Operationssäle, die Pharma-, Lebensmittel- und Elektronikindustrie sowie das kulturelle Erbe zunutze machen, gestützt auf frühere Erfahrungen bei Raumfahrzeug-, MIR- und ISS-Missionen11,65,66,72,73 ,74,75 und auch in der zeitweilig abgeriegelten Antarktisbasis Concordia führte die längere Einsperrung der Besatzung zu einer erhöhten Luftverschmutzung im Zusammenhang mit menschlichen Aktivitäten76,77. Es wurde festgestellt, dass das ISS-Mikrobiom in seiner Zusammensetzung und Diversität nicht stabil ist, obwohl ein Kernmikrobiom über die Zeit unabhängig vom Mikrobiom der einzelnen Besatzung bestehen bleibt. Alle zentralen Mikrobiomgattungen wurden auch in ISS-Staubproben aus den Jahren 2004 und 2008 sowie in anderen ISS-Mikrobiomstudien gefunden, was darauf hindeutet, dass dieses zentrale Mikrobiom tatsächlich an Bord der ISS etabliert ist56. Darüber hinaus zeigte eine auf Genomik basierende Metaanalyse, dass sich die auf der ISS isolierten Pangenome von Bacillus und Staphylococcus zwar von denen auf der Erde unterschieden, diese Unterschiede jedoch nicht gesundheitsgefährdend zu sein schienen78. Die in der ISS gefundenen Bakterienarten sind am häufigsten mit dem oralen Mikrobiom und den oberen Atemwegen des Menschen verbunden61. Die Hauptquelle für durch die Luft übertragene Pilze können Nahrungsmittel oder Pflanzenmaterial sein. Die wichtigsten Bakterienstämme, die an Bord der ISS in der Luft und auf Oberflächen entweder durch Kultivierung oder molekulare Methoden nachgewiesen wurden, waren Staphylococcus (Firmicutes), Corynebacterium und Propionibacterium (Actinobacteria)68. In kultivierungsbasierten Tests waren Bacillus- und Staphylococcus-Arten die am häufigsten nachgewiesenen Firmicutes, wohingegen Staphylococcus die mit molekularen Methoden nachgewiesenen Firmicutes-assoziierten Signaturen völlig dominierte. Der wahrscheinlichste Grund für diese beobachtete Diskrepanz könnte die Unfähigkeit der Standard-DNA-Isolierungsprotokolle sein, Sporen ausreichend zu öffnen79. Bakterien der Gattung Staphylococcus sp. Gattung wurden aus 84 % der Oberflächenproben isoliert; Die zweithäufigsten identifizierten Gattungen waren Bacillus sp. (31,7 %) und Corynebacterium sp. (9,4%)65. Die vorherrschenden Arten auf Oberflächen waren Staphylococcus auricularis und S. epidermidis (22,4 %)9. Bacillus sphaericus und S. hominis, angetroffen in 23,4 %, 22,4 %. 12,1 bzw. 9,3 % der Fälle. Es wurden auch Arten mit opportunistischem pathogenem Verhalten isoliert (B. cereus, Eikenella corrodens und S. aureus)9. Darüber hinaus wurden Flavobacterium indologenes, Pseudomonas putida und Xanthomonas malthophila nachgewiesen, die zu einer biologischen Schädigung von Materialien führen können43,44. Was Pilze betrifft, so wurde an Bord der ISS eine höhere Häufigkeit von Aspergillus und Penicillium festgestellt, entweder durch Kultivierung oder durch die Verwendung anderer Nachweisansätze65,79,80. Im japanischen Kibo-Modul der ISS wurde nach einem Jahr Betrieb kein Penicillium, sondern hautassoziiertes Malassezia nachgewiesen81. Aspergillus sp., Penicillium sp. und Saccharomyces sp. waren die häufigsten Gattungen. Einige Proben enthielten A. versicolor und Cladosporium sp. sind für ihre Fähigkeit bekannt, natürliche und synthetische Polymere zu besiedeln. Zwangsläufig wird die ISS auch eine unbekannte Anzahl von Mikroorganismen beherbergen65. In Bezug auf die Viruskontamination wurden in einer aktuellen Übersicht42 72 verschiedene Virusgattungen aus 21 Familien identifiziert, darunter auch solche, die menschliche Krankheitserreger enthalten. Es ist auch erwähnenswert, dass die metagenomische Analyse nur an der gepoolten Teilmenge von Umweltproben mit einer durchschnittlichen Leselänge von 126 bp durchgeführt wurde; Daher könnten einige Viren während der Studie übersehen worden sein42. Darüber hinaus sind die viralen Genome in Genomdatenbanken, die Sequenzen zuweisen, unterrepräsentiert, sodass ein erheblicher Teil möglicherweise unerkannt bleibt42. Viren, die Tierviren ähneln, wurden in 33 Gattungen verteilt, von denen 13 bekanntermaßen Menschen infizieren und Krankheiten unterschiedlicher Schwere verursachen, darunter eine Reihe von Herpesviren, die eine Latenz entwickeln und eine Reaktivierung erfahren können8. Pathogene Viren waren in geringer Häufigkeit vorhanden und verursachten bei kurzfristigen Weltraummissionen wahrscheinlich keine nennenswerten Gesundheitsprobleme, selbst unter Bedingungen, die für ein gesundes Immunsystem ungünstig sind. Ihre Auswirkungen auf Langzeitmissionen sind jedoch weiterhin unbekannt8,82. Tabelle 3 zeigt einige in der Luft befindliche Mikroorganismen. Die erforderlichen Inaktivierungsdosen, die in der Literatur für alle berücksichtigten Mikroorganismen angegeben sind, wurden als Referenz bei der Dimensionierung des Systems und der Berechnung seiner Desinfektionsleistung durch Simulationen berücksichtigt.

Die Sonneneinstrahlung außerhalb der Erdatmosphäre wurde im Rahmen des Instruments SOLar SPECtrometer (SOLSPEC)83 der SOLAR-Nutzlast an Bord der ISS gemessen. Abbildung 1 zeigt die aus dem SOLSPEC-Datenarchiv extrahierte spektrale Bestrahlungsstärke im gesamten UV-Band (200–400 nm). Laut Biasin et al.84 und Beck et al.85 kann davon ausgegangen werden, dass der Spektralbereich zwischen 240 und 280 nm die gleiche keimtötende Wirksamkeit aufweist. Bei niedrigeren Wellenlängen soll es dasselbe sein86,87, aber es wurde in den Effizienzsimulationen von SAILOR Moon aufgrund der Ozonbildung in den Luftkanälen, die giftig ist, nicht berücksichtigt88. Für die Effizienzberechnungen des UVGI haben wir nur die Bandbreite von 240–280 nm mit einer integrierten Bestrahlungsstärke von 0,5 \(\textrm{mW}/\mathrm{cm^2}\) berücksichtigt. Im UVB- (280–320 nm) und UVA- (320–400 nm) Bereich sinkt die Desinfektionseffizienz, aber die Sonneneinstrahlung nimmt zu. Daher können wir einen Effekt erwarten, der es wert ist, genutzt zu werden. Darüber hinaus deuten Studien darauf hin, dass eine synergetische Kombination von UVC und längerer Wellenlänge die Inaktivierungsrate erhöhen könnte89,90, dies bleibt jedoch zukünftigen Untersuchungen vorbehalten.

Spektrale Sonneneinstrahlung im Ultraviolettband vom SOLar SPECtrometer an Bord der ISS. Der rote Teil der Kurve ist die reduzierte UVC-Bandbreite, die für die SAILOR Moon-Effizienzsimulationen verwendet wird, da bei Licht mit \(\lambda<\) 240 nm eine Ozonbildung im Luftkanal auftreten würde.

Die Wahl des Mondes für das vorgeschlagene Gerät beruht auf seiner geringen Neigung zur Ekliptikebene, etwa 1,5\(^\circ \). Dies bedeutet, dass in polaren Breiten die maximale Höhe, die die Sonne erreichen kann, 1,5\(^\circ \) beträgt. Daher geht man davon aus, dass die Pole innerhalb der Krater dauerhaft schattige Regionen beherbergen, in denen möglicherweise Wassereis eingeschlossen war (siehe z. B. Hayne et al.91 und Referenzen hierin). Der Prozentsatz des Sonnenlichts, der von einem bestimmten Gebiet empfangen wird, hängt tatsächlich von der Neigung der Rotationsachse und der Topographie der Region ab92. Aufgrund der Notwendigkeit und des Interesses an der Errichtung einer Mondbasis in der Nähe von Wassereisvorkommen wurden umfangreiche Studien der Frage gewidmet, ob topografische Merkmale mit einer ausreichend langen Sonneneinstrahlung in denselben Regionen verbunden sind93, um Roboter- und Menschenbesatzungsoperationen sicherzustellen . Die insbesondere von den Missionen Kaguya94 und LRO95,96,97 gewonnenen Daten bestätigten die Existenz der sogenannten „Gipfel des ewigen Lichts“, die 1880 von Flammarion92 so genannt wurden: [Französisch/Englisch] Aux pôles lunaires (où l'on Ich war nicht in der Nähe von Gletschern, sondern in den Bergen, wo ich mich entfremdet habe, denn ihre Berge waren nicht in der Nacht. Ja, die Sonne liegt nicht für sie! On peut les appeler les montagnes de l'éternelle lumière / An den Mondpolen (wo wir tatsächlich weder Schnee noch Eis sehen können) gibt es Berge, die so seltsam liegen, dass ihr Gipfel die Nacht nicht kennt; Die Sonne ist für sie nie untergegangen! Wir können sie die Gipfel des ewigen Lichts nennen.“ Es handelt sich um Ränder bestimmter Krater und Bergrücken, die einen Großteil des Jahres beleuchtet sind. Die genauen Schätzungen werden unter Berücksichtigung der geringen Schiefe (und damit der vernachlässigbaren saisonalen Schwankungen), der Topographie der Strukturen an den Polen und der axialen Mondpräzession (die Rotationsachse dreht sich in etwa 18,6 Jahren) erhalten. Laut Gläser et al.97 sind die besten Kandidaten im Hinblick auf den durchschnittlichen Beleuchtungsprozentsatz über 20 Jahre am Nordpol die dem Äquator zugewandten Ränder der Krater Hinshelwood, Peary und Whipple, während am Südpol der Krater Shackleton und zwei weitere Regionen liegen Verbindungskamm. Der entsprechende Prozentsatz liegt zwischen etwa 70 % und 83 %. Die maximale Zeit im Schatten schwankt hingegen zwischen knapp 100 und 335 Stunden. Weniger optimistisch sind diese Werte laut Speyerer und Robinson98, die allerdings ein Jahr analysiert haben. Die NASA36 hat die folgenden 13 Standorte am Südpol als Kandidaten für eine Artemis-III-Mondlandung ausgewählt: Faustini Rim A, Peak Near Shackleton, Connecting Ridge, Connecting Ridge Extension, de Gerlache Rim 1, de Gerlache Rim 2, de Gerlache-Kocher-Massiv , Haworth, Malapert-Massiv, Leibnitz-Beta-Plateau, Nobile Rim 1, Nobile Rim 2 und Amundsen Rim. Ausschlaggebend für die Wahl war die Tatsache, dass sie 6,5 Tage lang einen kontinuierlichen Zugang zu Sonnenlicht gewährleisten können.

Das SAILOR Moon-Projekt ist eine Studie über ein Servicemodul zur Umluftdesinfektion durch solare UVC-Strahlung in den künftigen bewohnbaren Mondmodulen. Wie im vorherigen Abschnitt erläutert, sind die Mondpole aufgrund der einzigartigen langanhaltenden Sonneneinstrahlung und der begrenzten Reichweite der scheinbaren Position der Sonne um den Horizont die günstigsten Standorte im Weltraum. Wir stellen zwei mögliche solare UVC-Lichtkonzentratoren vor, die die keimtötende Quelle für die Luft im Inneren der bewohnbaren Module erzeugen. Wir haben zwei Sonnenlichtkollektoren in Betracht gezogen: (i) einen Sonnen-Tracker, der auf einem klassischen Tracking-Mechanismus montiert werden kann; (ii) ein statischer Kollektor. Gemäß dem vorherigen Abschnitt führen die leichte Neigung der Mondachse und die Positionierung möglicher Landeplätze in der Nähe der Pole dazu, dass die scheinbare Position der Sonne entlang des Zenitwinkels auf ± 2\(^\circ \) um den Horizont beschränkt ist. Unter Berücksichtigung der Winkelgröße der Sonne (\(\ca. \) 30 Bogenminuten) und einiger Eventualitäten haben wir davon ausgegangen, dass die im Folgenden beschriebenen Sonnenlichtkollektoren in der Lage sind, Licht in einem Bereich von ± 3,5\(^\circ \) um den Horizont zu sammeln , um konservativ zu sein (dh Zeigegenauigkeit).

Zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels bestehen für Mondlebensräume keine Anforderungen an den Luftstrom oder die Luftkanalgröße. Die einzigen verfügbaren Daten beziehen sich auf die ISS99, hinsichtlich des Luftstroms der Umluft (460 \(\mathrm{m^3}/\textrm{h}\)) und des Luftkanaldurchmessers (14 cm). Diese beiden Größen wurden als Simulationsparameter verwendet. Die anderen in Tabelle 1 aufgeführten Parameter wurden willkürlich ausgewählt, werden aber als angemessen angesehen. Die im Abschnitt „Ergebnisse und Diskussionen“ gezeigten Effizienzergebnisse können jedoch entweder linear skaliert werden (z. B. mit der Sammelfläche) oder es werden einige Hinweise auf den Effizienztrend bei Parametervariationen gegeben.

Die einfachste optische Lösung für einen effizienten Lichtkonzentrator einer sich bewegenden Quelle ist ein kleiner FoV-Konzentrator (Field of View) mit einem Tracking-Mechanismus. Das in Abb. 2 dargestellte Design stellt ein mögliches Beispiel einer optischen Konfiguration dar, ohne den Anspruch zu erheben, die effizienteste Lösung zu sein. Im Falle einer Untersuchung zur tatsächlichen Implementierung des Geräts würden andere Designs in Betracht gezogen.

Vorgeschlagener Entwurf für einen möglichen Nachführkonzentrator der Sonne: Ritchey-Chretien-Teleskop. Ein tertiärer Flachspiegel hinter der Teleskopöffnung gleicht Schwankungen des Zenitwinkels aus und sorgt dafür, dass die Brennebene über dem Quarzfenster des Luftkanals fixiert bleibt.

Der vorgestellte Konzentrator ist ein Ritchey-Chretien-Teleskop mit zwei Spiegeln und einem Sichtfeld von 1\(^\circ \) (der scheinbare Durchmesser der Sonne beträgt etwa 0,5\(^\circ \)). Die Teleskopmontage weist Ähnlichkeiten mit der Radioteleskopmontage auf, da das Hauptziel die Lichtkonzentration und nicht die optische Qualität auf der Brennebene ist. Die einzige Anforderung wäre, dass Position, Größe und Form des Sonnenbildes durch ein Quarzfenster fallen, für den gesamten UV-Bereich100 transparent sind und zur Quelle für die Luftdesinfektion im Luftkanal werden. Zwei motorisierte Rotatoren verfolgen die scheinbare Bewegung der Sonne. Der Rotationsbereich des Zenitwinkels soll ± 3,5\(^\circ \) um den Horizont betragen, was es einem flachen rotierenden Tertiärspiegel (M3) ermöglicht, die Verschiebung der Brennebene aufgrund der Variation des Deklinationswinkels auszugleichen, um das Bild der Sonne zu liefern die gleiche Position über dem Quarzfenster. Der M3-Ausgleichsmechanismus könnte ein einfaches Pantograph-Hebelsystem sein. Die Variationsrate sowohl des Azimut- als auch des Zenitwinkels ist langsam genug, um nicht als Problem für die Nachführung der Sonne angesehen zu werden (weniger als 0,5 \(\mathrm{deg/h}\)). Ein einfacher Sonnensensor würde ausreichen, um die Quelle innerhalb des Sichtfelds des Teleskops zu halten, und ein abgestufter Nachführmechanismus würde das System hinsichtlich der Arbeitszyklussteuerung vereinfachen. Noch genauere Zeigegeräte wären kein Problem, wenn das Ziel des Konzentrators darin bestünde, eine Brennebene mit höherer optischer Qualität zu liefern. Ein stabileres Bild der Sonne würde die Ankopplung eines optischen Faserbündels ermöglichen und UV-Licht in weitere Entfernungen vom Konzentrator transportieren, falls die Luftkanäle weit vom Konzentrator entfernt wären oder für andere Anwendungen (Wasser- oder Oberflächendesinfektion). Diese Option liegt außerhalb des Ziels der Arbeit und wurde nicht im Detail untersucht. Man geht davon aus, dass die Teleskopspiegel ein hohes Reflexionsvermögen R haben. Ein mögliches Material könnte Alanod MIRO UV C101 sein, mit \(R>0,9\) über den UVC-Bereich und bei längeren UV-Wellenlängen, mit einer glatten Oberfläche, um Streulicht zu vermeiden. Eine weitere teurere Lösung ist die Aufbringung einer für UVC optimierten Mehrschichtbeschichtung.

Die Besonderheit der Mondpole hinsichtlich der scheinbaren Position der Sonne ermöglicht die Verwendung eines statischen Konzentrators, der dank der verringerten Zenit-Winkelverschiebung der Position der Sonne in der Lage ist, die Sonnenstrahlung während der gesamten Belichtungszeit zu sammeln.

Die beiden Bilder in Abb. 3 zeigen den konzeptionellen Aufbau eines Ringkonzentrators. Durch das Quarzfenster, das ebenfalls eine Ringform hat, dringt das Sonnenlicht in den roten Luftkanal ein. Die Einlass- und Auslassabschnitte des Luftkanals sind nach unten gerichtet, da der Konzentrator zur Vermeidung von Verschattungen auf den Wohnmodulen platziert werden soll. Das Licht im Luftkanal wird mehrfach reflektiert, bis es von den Innenflächen absorbiert wird oder durch das Fenster aus dem Kanal austritt. Mit Zemax OpticStudio® durchgeführte Raytracing-Simulationen (siehe Abschnitt „Optische Simulationen“ weiter unten) zeigen, dass mehr als die Hälfte des inneren Kanalvolumens mit solarem UVC-Licht gefüllt ist. Der statische Konzentrator hat das äußere Profil eines Compound Parabolic Concentrator (CPC)102, eines nicht bildgebenden Lichtkonzentrators, der häufig zur Wassererwärmung und Stromerzeugung eingesetzt wird. Alle Lichtstrahlen, die mit einem Winkel kleiner als der Akzeptanzwinkel \(\theta\) in die CPC-Eintrittsöffnung eintreten, werden von den parabolischen Oberflächen innerhalb der Austrittsöffnungsfläche reflektiert (Abb. 4). Die in Tabelle 1 aufgeführten Abmessungen des Geräts können leicht abgeleitet werden, indem das „Edge-Ray-Prinzip“ auf das CPC-Design angewendet wird, das in Tian et al.103 beschrieben wird. An der ringförmigen CPC-Austrittsöffnung fungiert eine zylindrische Quarzschale als Eintrittsfenster für die solare UVC-Strahlung zum ringförmigen UVC-Filter. Wenn der Standort des Außenpostens genau am Mondpol wäre, hätte der ringförmige Konzentrator eine horizontale Symmetrieachse. Abhängig vom genauen Standort des Außenpostens könnten die beiden Parabeln Achsen mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln haben, um alle Sonnenstrahlen abzufangen.

Skizzierte Entwürfe des Annular Compound Parabolic Concentrator für die Konzentration von solarem UVC-Licht: Seitenansicht und Draufsicht. Das Bild des Tracking-Konzentrators von Sun oben links dient dazu, die Größe der beiden Systeme visuell darzustellen. Die beiden Konfigurationsgrößen wurden ausgewählt, um insgesamt eine ähnliche Fluence zu erzielen, wie in Tabelle 2 gezeigt.

Das Außenprofil des ringförmigen Compound Parabolic Concentrator. Die Parameter beziehen sich auf die Oberseite. Bei einem symmetrischen Aufnahmewinkel zwischen den beiden Seiten hätte die untere Seite die gleichen Parameterwerte. Parameterwerte sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Ziel von SAILOR Moon ist es, die keimtötende Wirksamkeit der solaren UVC-Strahlung in den Luftkanälen zu maximieren. Die zu maximierende Größe ist die Fluenz (F), auch UV-Dosis genannt, die als die gesamte Strahlungsenergie aus allen Richtungen definiert ist, die durch eine unendlich kleine Kugel mit der Querschnittsfläche \(\delta \)A geteilt durch \( \delta \)A, mit typischen Einheiten von \(\textrm{mJ}/\mathrm{cm^2}\). Die Fluenz entspricht der Bestrahlungsstärke oder Fluenzrate (FR) mit der Standardeinheit \(\textrm{mW}/\mathrm{cm^2}\), multipliziert mit der Verweilzeit t der Krankheitserreger innerhalb eines Einheitsvolumens. Das UVC-Filterkonzept beruht auf der FR-Vergrößerung innerhalb eines Abschnitts des Innenvolumens des Luftkanals aufgrund der mehrfachen Reflexion der Lichtstrahlen, dank der Verwendung hochreflektierender Materialien zur Beschichtung der Innenoberflächen des Kanals. Mögliche Materialien könnten Alanod mit einem groben Substrat101 sein, das einen R > 0,9 aufweist, oder Polytetrafluorethylen (PTFE)104, das Berichten zufolge einen R = 0,95 bei 275 nm und eine Lambertsche Streuverteilung aufweist (alle einfallenden Strahlen werden mit gleicher Wahrscheinlichkeit gestreut). irgendwo im Einheitshalbkreis, unabhängig vom Einfallswinkel). Wie in Lombini et al.105 beschrieben, führt eine Lambertsche Streuung der Innenflächen dazu, dass die FR-Verteilung innerhalb des Volumens geglättet und gleichmäßiger wird. Eine weitere Strategie zur Erhöhung der keimtötenden Wirksamkeit des Kanals besteht darin, auf die Verweilzeit der Krankheitserreger einzuwirken. Dies ist durch eine Optimierung der Kanalgeometrie möglich. Bei beiden vorgeschlagenen Konzentratortypen weist die Bestrahlungszone einen im Vergleich zum Durchmesser des Einlass- und Auslasskanals verdoppelten Querschnitt auf, wodurch die Luftgeschwindigkeit im Filter verringert und folglich die Luftverweilzeit t106 erhöht wird. Die Innenseiten der anderen Seiten des Luftkanals sollen mit schlecht reflektierendem UV-Material beschichtet sein, auch wenn ein längerer, stark reflektierender Abschnitt die Inaktivierungseffizienz erhöhen würde. Eine direkte Einwirkung von UVC-Licht aus den Kanalöffnungen sollte aufgrund seiner schädlichen Auswirkungen auf den Menschen vermieden werden107,108. Aus diesem Grund haben wir darüber nachgedacht, einen begrenzten Kanalabschnitt mit reflektierendem Material zu beschichten, was die Möglichkeit von Lichtlecks verringert. Für bestimmte Anwendungsfälle wird eine optimierte UVC-Filterlänge berücksichtigt. Im Abschnitt „Ergebnisse und Diskussionen“ wird kurz auf die Systemleistung beim Variieren einiger CPC-Parameter eingegangen.

Wir haben die erwartete UVC-Dosis geschätzt, die an Krankheitserreger abgegeben wird, die in den Kanälen zirkulieren, indem wir rechnergestützte Fluiddynamiksimulationen (CFD) der Flugbahnen und Geschwindigkeiten der Partikel kombiniert haben, um die lokale Verweilzeit t und den erwarteten volumetrischen FR innerhalb des erzeugten UVC-Filters abzuschätzen durch die Sonneneinstrahlung. Die Inaktivierung der Krankheitserreger ist eine Funktion der insgesamt absorbierten UV-Energie. Ein vereinfachtes Modell17 ist die exponentielle Beziehung:

Dabei ist e die Napier-Konstante, S der Überlebensanteil der Mikroorganismen nach der Einwirkung von UVC-Licht und k die spezifische Geschwindigkeitskonstante, die für jeden Mikroorganismustyp einzigartig ist (\(\mathrm{cm^2}/\textrm{mJ}\ )). In den folgenden Abschnitten werden die durchgeführten Simulationen und die berücksichtigten Parameter detaillierter beschrieben.

Tabelle 1 listet die wichtigsten Parameter auf, die für die Simulationen verwendet wurden. Die betrachtete solare UVC-Bestrahlungsstärke bezieht sich auf die Bandbreite zwischen 240 und 280 nm, während der Luftstrom innerhalb der Umwälzkanäle 230 \(\mathrm{m^3}/\textrm{h}\) oder 460 \(\ mathrm{m^3}/\textrm{h}\) (der letzte ist der ISS-Referenzwert). Was den Tracking-Konzentrator der Sonne betrifft, haben wir \(R = 0,9\) für jeden der drei Teleskopspiegel und eine Verdunkelung von 30 % des Primärspiegels mit 1 m Durchmesser durch den Sekundärspiegel berücksichtigt. Das solare UVC-Licht ist daher eine 2-W-Quelle. Das F/6-Teleskop erzeugt ein 5 cm großes Sonnenbild. Die Bestrahlungsabschnitte haben einen doppelten Durchmesser im Vergleich zum Einlass- und Auslasskanaldurchmesser (28 cm gegenüber 14 cm – siehe Abschnittsbeschreibung „Luftkanäle“ oben). Das Tracking-Konzentrator-Design der Sonne wurde mit einem UVC-Filter mit einer zylindrischen Form von 1 m Länge gekoppelt. Das interne Reflexionsvermögen des Filters wurde mit \(R = 0, 0,9, 0,95, 0,99\) simuliert, während die anderen Luftkanalabschnitte mit einem UVC-absorbierenden Material beschichtet sein sollen. Der statische Konzentrator hat einen Durchmesser von 3 m und die gesammelte Leistung, d. h. das Licht, das durch das Quarzfenster in den Luftkanal eintritt, beträgt 4,5 W. Der ringförmige UVC-Filter hat einen quadratischen Querschnitt von 28 cm Breite und die gleichen drei internen Reflexionswerte wie für die andere Konfiguration. Diese Parameter wurden während Simulationen verfeinert, um eine angemessene Desinfektionsleistung zu erzielen und als Ausgangspunkt für zukünftige Implementierungen zu dienen.

Da Krankheitserreger voraussichtlich durch Tröpfchen übertragen werden, die von Astronauten beim Atmen/Husten freigesetzt werden, wurden CFD-Simulationen konzipiert, um die Bewegung der Tröpfchen in den Luftkanälen beider SAILOR-Mondkonfigurationen zu beschreiben. Das Ziel bestand darin, die Exposition von Tröpfchen gegenüber UV-Strahlung vorherzusagen und sie mit der erwarteten Fluenzrate aus den optischen Simulationen und damit der Fluenz zu kombinieren.

Simulationen wurden mit der kommerziellen Software Ansys Fluent® (v18.1) durchgeführt und dabei angemessene Bedingungen für eine bewohnbare menschliche Umgebung berücksichtigt, d. h. Luft als Gas, ein Umgebungsdruck von 1 atm, eine Umgebungstemperatur von 25 °C. ) \(C\). Die Schwerkraft wurde auf den Mondwert (1,62 \(\textrm{m}/\mathrm{s^2}\)) gesetzt; Wir haben jedoch Simulationen unter verschiedenen Schwerkraftbedingungen (Erde, Mond, keine Schwerkraft) durchgeführt, die die Tröpfchendynamik nicht veränderten. Die Anfangsbedingungen der Läufe wurden in Bezug auf die Volumendurchflussrate gemäß den in Tabelle 1 angegebenen Werten festgelegt. Für den Einlassabschnitt des Kanals wurde eine Geschwindigkeitseinlassgrenzbedingung mit der richtigen Windgeschwindigkeit festgelegt, um die geforderte Geschwindigkeit zu reproduzieren Fließrate. Simulationen haben turbulente Strömungen berücksichtigt, da die Betriebsbedingungen in allen simulierten Fällen zu einer Reynolds-Zahl (Re) von mehr als 40.000 führen (der Turbulenzbeginn liegt üblicherweise im Bereich von 2.000–5.000 Re). Aus diesem Grund wurde das realisierbare \(k-\epsilon \)-Modell verwendet. Tröpfchen wurden als diskrete Phasen simuliert und mit den von Fluent bereitgestellten Partikelverfolgungstools verfolgt. Man geht davon aus, dass sie kugelförmig sind, aus flüssigem Wasser bestehen und einen Durchmesser von 0,5–25 m haben, was dem erwarteten Größenbereich von Bioaerosolen entspricht109,110. In diesem Bereich können sich Partikel je nach Größe und Geschwindigkeit unterschiedlich verhalten. Das unterschiedliche Verhalten kann anhand der Stokes-Zahl (Stk) vorhergesagt werden, einer dimensionslosen Zahl, die das Verhalten suspendierter Partikel in einem Flüssigkeitsstrom in Abhängigkeit von mehreren Parametern, einschließlich Tröpfchengeschwindigkeit und -durchmesser, charakterisiert. Für die meisten simulierten Fälle zeigt \(Stk < 1\) an, dass Tröpfchen dazu neigen, den Strömungslinien der Flüssigkeit zu folgen; Allerdings weisen größere Körner im betrachteten Intervall in einigen Simulationen \(Stk > 1\) auf, was die Tendenz zeigt, sich vom primären Flüssigkeitsstrom zu trennen. Aufgrund der angenommenen langsamen Geschwindigkeiten zeigten die Partikel unterschiedlicher Größe nur sehr geringe Unterschiede in der Geschwindigkeit und im Verhalten innerhalb des Kanals, sodass das Ergebnis unabhängig von ihrer Größe war.

Die betrachteten Geometrien sind ein zylindrischer Kanal im Fall des nachlaufenden Konzentrators der Sonne und ein ringförmiger Kanal mit quadratischem Querschnitt im Fall des statischen Konzentrators. Die simulierten Volumina wurden in feine Netze von ~1e\(+\)6 Elementen diskretisiert, wobei der Außendurchmesser des UVC-Filters von 3 m und die Filtergröße von 28 cm berücksichtigt wurden (siehe Tabelle 1). Die Abbildungen 5 und 6 zeigen Beispiele simulierter Tröpfchenbahnen für die beiden Geometriefälle. Die Ergebnisse der CFD-Simulationen können im Rahmen des Modellaufbaus als ziemlich genau angesehen werden. Alle CFD-Läufe haben sich den gewünschten Werten der Residuen angenähert (unter 1e−4/1e−6, je nach Gleichung). Das Modell wurde nach einer vorläufigen Analyse des zu modellierenden Phänomens erstellt, daher erfolgte eine „a priori“ Bestimmung der Reynolds- und Knudsen-Zahlen für die Strömung und der Reynolds- und Stokes-Zahlen für verfolgte Tröpfchen.

Flugbahnen einiger Partikel im zylindrischen Luftkanal für den Fluss 230 \(\mathrm{m^3}/\textrm{h}\). Der vergrößerte Durchmesser führt zu einer Verlangsamung der Partikelgeschwindigkeit im zweiten Teil des vergrößerten Abschnitts und zu einer turbulenten Flugbahn einiger Partikel. Diese Zahl ist repräsentativ sowohl für die betrachteten Luftströme als auch für die Partikelgrößen. Die Figurengröße ist zur Visualisierung nicht maßstabsgetreu.

Flugbahnen einiger Partikel im ringförmigen Luftkanal für den Fluss 230 \(\mathrm{m^3}/\textrm{h}\). Partikel aus dem kleineren Luftkanal erfahren beim Eintritt in den größeren Ringkanal eine turbulente Strömung. Bei den betrachteten Strömungen kehren die Teilchenbahnen in ein laminares Regime zurück. Diese Zahl stellt die berücksichtigten Luftströme und die Partikelgrößen dar.

Die optischen Simulationen wurden mit Zemax OpticStudio® durchgeführt. Die Sonnenstrahlen wurden von einer Quelle mit einer mittleren Bestrahlungsstärke von 0,5 \(\textrm{mW}/\mathrm{cm^2}\) emittiert. Die optimale Position für das Quarzfenster, durch das das solare UVC-Licht in den Kanal gelangt, entspricht dem Teil des Kanals, in dem die Fluggeschwindigkeit geringer ist (Abb. 5). Die von der Sonne kommenden Strahlen wurden von den optischen Elementen reflektiert, gebrochen oder absorbiert, bis entweder die Stärke der Strahlen unter einen bestimmten Schwellenwert (\(1/10^{6}\) der Anfangsstärke) fiel oder das optische System verließ. Die inneren Kanaloberflächen wurden mit einer Lambertschen Streuung mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen versehen, um die Bedeutung eines hohen R-Werts hervorzuheben. Der FR im Inneren der Filter wurde durch einen volumetrischen Detektor ausgewertet, ein dreidimensionales Array, das aus kubischen Voxeln mit jeweils 1 besteht \(\mathrm{cm^3}\), um die räumlichen FR-Variationen richtig abzutasten. Abbildung 7 zeigt, wie Strahlen am Filterinneren (blaue Linien) und an einem der volumetrischen Detektoren entlang des Längsquerschnitts (100 \(\times \) 28 \(\times \) 1 Voxel) reflektiert werden, um die FR-Verteilung hervorzuheben . Der Detektor ist farblich gekennzeichnet, um die FR-Verteilung entlang des horizontalen Abschnitts des Kanals hervorzuheben. Die rote Farbe weist auf eine höhere lokale Fluenz hin. Trotz der Lambertschen Streuung liegt ein höherer FR näher an der UVC-Quelle. Die Tatsache, dass der maximale UVC-Fluss dort liegt, wo die Fluggeschwindigkeit geringer ist (Abb. 5 und 7), verbessert die Desinfektionseffizienz. Die Simulationsergebnisse in Bezug auf die Fluenzrate innerhalb des UVC-Filters können mit einer Unsicherheit von weniger als einigen Prozent angenommen werden. Eine ausreichende Erfassung der Fluenzrate innerhalb des Filters aufgrund der Streuverteilung wurde durch eine ausreichend hohe Anzahl von Startstrahlen aus der Quelle gewährleistet105. Die optischen Parameter der UVC-Filterkomponenten, wie etwa die Quarzdurchlässigkeit und die PTFE-Reflexionsfähigkeit, wurden Datenblättern entnommen, die als gute Referenzwerte gelten.

Zylindrischer UVC-Filter. Das Bild zeigt, wie die Lichtstrahlen von der Innenfläche reflektiert und gestreut werden. Die farbige Ebene ist einer der volumetrischen Detektoren, die zur Berechnung der Fluenzrate im Filter verwendet werden.

Die CFD- und optischen Simulationen wurden kombiniert, um die Fluenz innerhalb des UVC-Filters für die verschiedenen in Tabelle 1 aufgeführten Parameter zu ermitteln. Die folgenden Annahmen wurden berücksichtigt:

Jeder Partikelweg innerhalb des Filters wurde unabhängig betrachtet. Die Geschwindigkeit des lokalen Teilchens wurde in eine Verweilzeit innerhalb einer Einheitsvolumenzelle (1 \(\mathrm{cm^3}\)) umgewandelt;

die Verweilzeit t wurde mit der lokalen Fluenzrate \(FR_L\) multipliziert, um die lokal gelieferte Fluenz \(F_L\) in jeder Zelle zu erhalten (Abb. 8a); Die insgesamt an das Partikel abgegebene Fluenz \(F_P\) ist die Summe der lokalen Fluenz entlang der Flugbahn des Partikels (Abbildung 8b);

das Gesamt-F, das in den in Gleichung gezeigten erregerabhängigen Überlebensfraktionsberechnungen verwendet werden soll. 1 ist der Durchschnittswert aller Teilchen' \(F_P\).

Abbildung 8a zeigt die lokal abgegebene Fluenz in jeder Einheitsvolumenzelle \(F_L\) entlang des Pfades einer kleinen Partikelprobe. Es ist klar, dass entsprechend der UVC-Quelle, wo die Partikelgeschwindigkeit niedrig ist, die lokal abgegebene Fluenz höher ist, während sie am Eingang und am Ausgang des optischen Hohlraums niedriger ist, wo die Partikel schneller und FR niedriger sind. Auf die gleiche Weise steigt die insgesamt abgegebene Partikelfluenz \(F_P\) schnell entsprechend dem Niedriggeschwindigkeitsbereich bis zu Werten in der Größenordnung der in Tabelle 2 angegebenen Werte an. Abbildung 8b zeigt die insgesamt abgegebene Partikelfluenz \(F_P). \), ziemlich homogen für die verschiedenen Partikel im Filteraustrittsbereich, sodass es sinnvoll ist, den Durchschnittswert als gute Schätzung des Gesamt-F zu betrachten.

(a) Flugbahnen derselben Partikel aus Abb. 5 im zylindrischen Luftkanal für den Fluss von 230 \(\mathrm{m^{3}}/\textrm{h}\). Im zweiten Teil des Filters bewirken die verringerte Partikelgeschwindigkeit und die höhere Fluenzrate im gleichen Bereich (Abb. 7), dass die lokale Fluenz zunimmt. (b) Integrierte Fluenz für die gleichen Partikel wie in der oberen Abbildung. Die Größen der beiden Figuren sind zur Visualisierung nicht maßstabsgetreu.

Tabelle 2 listet die erwartete gelieferte F für die beiden Konzentratortypen und die verschiedenen Parameterwerte auf, die in den Simulationen verwendet wurden. Es ist offensichtlich, dass ein hohes internes Reflexionsvermögen des Luftkanals eine Effizienzsteigerung für die betrachteten Solarlichtkonzentratorsysteme bewirkt. Dies sollte der entscheidende Parameter für die Forschung und Entwicklung im Hinblick auf eine mögliche Systemimplementierung sein. Die CFD-Simulationen zeigen, dass die Größe der Erreger aufgrund der relativ hohen Luftgeschwindigkeit im Filter einen nahezu vernachlässigbaren Unterschied im Ergebnis hervorruft. Somit wurde der Hauptwert für die unterschiedlich großen Fälle angegeben.

Eine weitere Optimierung der Parameter je nach Systemanforderungen kann die Effizienz des Geräts steigern. Dieser Vorgang würde jedoch einige Kompromisse bei den Anforderungen erfordern, beispielsweise hinsichtlich der Gerätemasse. Was den Sun-Tracking-Konzentrator betrifft, könnte selbst eine relativ kleine Größe des Primärspiegels (1 m) in Kombination mit einem hochreflektierenden UVC-Filter eine hohe Fluenz liefern, die für eine wirksame Inaktivierung luftgetragener Krankheitserreger ausreicht. Der Konzentrator erfordert ein Nachführsystem, das aufgrund der geringen scheinbaren Geschwindigkeit der Sonne sehr einfach sein kann (sogar ein abgestuftes Nachführsystem könnte verwendet werden). Allerdings bedarf es noch einiger Klugheit, um eine Kontamination des Mondpulvers (Regolith) zu vermeiden. Ein größerer Primärspiegel oder ein kleinerer Verdunkelungsanteil (oder keine Verdunkelung im Falle eines außeraxialen Teleskops) würde die gelieferte Fluenz linear mit der vergrößerten Sammelfläche erhöhen. Ein weiteres Beispiel ist das Reflexionsvermögen des Spiegels. Selbst wenn dieser Wert bereits hoch ist, erhöht ein höheres R F um einige Prozent. Die Erhöhung des Reflexionsvermögens der Innenfläche des Luftkanals würde einen deutlich größeren Beitrag leisten. Es könnte hilfreich sein, die Reflexionseffizienz durch eine geeignete Beschichtung zu steigern, indem der Betriebsspektralbereich des Systems auf UV beschränkt wird. Beispielsweise würde \(R=0,99\) die gelieferte F im Vergleich zum Fall \(R=0,95\) um den Faktor 2 erhöhen. Mehrschichtspiegel, die aus einem Stapel von HfO\(_2\)- und SiO\(_2\)-Dünnfilmen hergestellt werden, erreichen nachweislich \(R=0,99\) bei 250 nm111,112. Nur wenige Materialien sind geeignet, die Beschichtung im gewählten Spektralbereich zu optimieren. Ihre Abscheidungstechnologie und Stabilität in der Weltraumumgebung im Laufe der Zeit stellen immer noch eine technologische Herausforderung dar113, weshalb ein spezifisches Entwicklungsprojekt durchgeführt werden muss. Auch andere Modifikationen der UVC-Filtergeometrie, wie Länge, Durchmesser und Form, würden durch die Erhöhung der Turbulenz und damit der Luftverweilzeit zu einer Leistungssteigerung führen. Beim statischen Konzentrator ist die Vergrößerung des Ringdurchmessers bzw. der Austrittsöffnung (Abb. 4) proportional zur Vergrößerung der Kollektorgröße (Ringdurchmesser, Eintrittsöffnung, Länge). Es würden angemessene Überlegungen zur Gesamtmasse und -größe ins Spiel kommen. Andere mögliche Kompromisse könnten alternative CPC-Designs mit besserer Lichtsammeleffizienz betreffen114,115. Tabelle 3 gibt die Dosen für einen \(D_{90}\)-Reduktionswert (90 % oder Log1) für einige in der Luft befindliche Krankheitserreger an. Die Werte sollten mit dem erwarteten abgegebenen F von SAILOR Moon verglichen werden, aufgeführt in Tabelle 2. Das System würde für Viren eine Dosis bereitstellen, die für eine Reduzierung um \(D_{90}\) oder sogar mehr ausreicht. Für einige Bakterien oder Pilze, die weniger anfällig für die Einwirkung von UVC-Licht sind, würden einige Konfigurationen eine UVC-Dosis abgeben, die keine vollständige Inaktivierungsrate von \(D_{90}\) ermöglicht, die für einen gesunden Aufenthalt der Astronauten im Inneren erforderlich sein könnte bewohnbare Module. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass weltraumgestützte Außenposten über einen geschlossenen Umluftkreislauf verfügen werden. In jedem Zyklus würde der Überlebensanteil auf den Überresten des vorherigen liegen und von Zyklus zu Zyklus exponentiell sinken.

Es muss berücksichtigt werden, dass das Ziel dieser Arbeit darin besteht, der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine Idee vorzustellen, die sich noch im Anfangsstadium befindet. Einige in der vorliegenden Studie angenommene Vereinfachungen werden in zukünftigen Entwicklungen berücksichtigt. In diesem Zusammenhang ist in Bezug auf das Vorhandensein luftgetragener Mikroorganismen in den Außenposten des Mondes ein wichtiger Gesichtspunkt die Mikrogravitationsumgebung der ISS, in der die Übertragungsdynamik anders ablaufen könnte als auf der Erde.

Auf dem Mond beträgt die Schwerkraft etwa ein Sechstel der irdischen Schwerkraft, und es muss noch ermittelt werden, ob die Bedingungen denen auf der Erde oder auf der ISS ähnlicher sein werden.

Darüber hinaus haben wir in den Simulationen nur das UVC-Band zur Berechnung der vom System gelieferten F berücksichtigt. Die synergetische Nutzung von UVC mit längerwelligen UV-Banden, deren Bestrahlungsstärke höher ist (Abb. 1), könnte dazu beitragen, die Inaktivierungsrate der Krankheitserreger noch weiter zu erhöhen , insbesondere für RNA-basierte Viren, wie in einigen neueren Arbeiten vorgeschlagen84,129. Für die nächste Zukunft sind experimentelle Tests zur Inaktivierungswirksamkeit von Krankheitserregern unter Verwendung einer größeren Bandbreite des Sonnenspektrums durch eine Solarlampe vorgesehen.

Bei der Modellierung der Dynamik von Tröpfchen wurden einige Aspekte nicht berücksichtigt. Die Tröpfchen wurden nicht als elektrisch geladen betrachtet und die komplexe Dynamik des Spritzens/Rückpralls/Koaleszenzs der Tröpfchen wurde weggelassen. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass geladene Tröpfchen dazu neigen, an den Wänden des Filters zu haften und sich zu entladen, wie es beispielsweise bei Staub der Fall ist, der ebenfalls stark von elektrostatischen Phänomenen beeinflusst wird. In diesem Fall wären die Tröpfchen einer stärkeren Strahlung ausgesetzt als ausgestoßene Tröpfchen. Das Zusammenwachsen zwischen Tröpfchen wurde ebenfalls vernachlässigt, aber selbst das würde zur Bildung größerer Tropfen führen, die daher stärker der Schwerkraft unterliegen und sich folglich eher absetzen. Die Abscheidung erfordert sicherlich eine längere Einwirkung von ultravioletter Strahlung. Es wurde davon ausgegangen, dass die Tropfen elastisch an den Wänden kollidieren, ohne zu spritzen. Diese Hypothese vereinfacht die Simulationen, ist aber auch konservativ, da ein Tröpfchen, das nach dem Spritzerphänomen zumindest teilweise an der Wand haftet, für längere Zeit der Strahlung ausgesetzt wird, was zu einem größeren F führt. Obwohl die Simulationen eine einfachere Schätzung der Ergebnisse aus rechnerischer Sicht berücksichtigen, sind sie hinsichtlich der Leistung konservativ.

Es muss berücksichtigt werden, dass die beiden Komponenten von SAILOR Moon, der Konzentrator und der UVC-Filter, Teil eines komplexeren Systems sind, das zumindest Belüftung und Staubfilterung umfasst. Insbesondere der Mondstaub, Regolith genannt, bedeckt die Mondoberfläche130 und besteht aus verschiedenen Arten von Partikeln unterschiedlicher Größe, die einer elektrostatischen Levitation ausgesetzt sein können, die durch die harte UV- und Röntgenstrahlung der Sonne erzeugt wird. Der Staub lagert sich auf den reflektierenden Oberflächen des Konzentrators ab und verringert so die Effizienz des Systems. Ein Schüttelsystem oder eine elektrostatische Erfassung131 könnten helfen, dieses Problem zu mildern. Außerdem wird der Staub, der nach Mondspaziergängen in die bewohnbaren Module gelangt, ein Problem für die Gesundheit der Astronauten darstellen132,133. Zur Staubfilterung könnten vor SAILOR Moon hocheffiziente Partikelluftfilter (HEPA)134 oder elektrostatische Filter135 platziert werden. In den nächsten Phasen dieses Projekts wird eine Bewertung der Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Wartbarkeit und Sicherheit (RAMS) durchgeführt, und diese Probleme müssen angegangen werden.

Wir bereiten uns auf die länger dauernden Raumflüge vor, die für den Eintritt in die Ära der bemannten Planetenerkundung erforderlich sind, mit der Zunahme der „Menschen“, von denen erwartet wird, dass sie an Weltraummissionen teilnehmen, und der Zunahme der Anzahl und Dauer von Weltraummissionen in der Zukunft. Die Reinigung von recycelter Luft und Wasser wird das Ziel zukünftiger Studien zur Nützlichkeit der UVC-Strahlung aus einer natürlichen (Sonnen-)Quelle in komplexen Mikrogravitationsumgebungen sein, in denen die Rezirkulation dieser Medien zwangsläufig über einen sehr langen Zeitraum erfolgen muss Absolute Unmöglichkeit des Austauschs mit Primärluft (Wasser).

Wir haben das SAILOR Moon-Projekt vorgestellt, eine sichere, effektive und nachhaltige Lösung im Hinblick auf längere Missionen mit menschlicher Besatzung auf dem Mond. Es nutzt die natürliche und nie versiegende solare UVC-Quelle zur Luftdesinfektion der künftigen bewohnbaren Module an den Mondpolen. Diese Orte scheinen aufgrund der langsamen scheinbaren Bewegung der Sonne und des hohen Prozentsatzes der Sonneneinstrahlung einzigartig zu sein. Das Projekt befindet sich noch in der Vorphase. Ziel ist es, der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine mögliche Alternative zu den anderen keimtötenden Systemen vorzustellen. Der von uns vorgestellte Ansatz eines Sonnenverfolgungskonzentrators ist ein teleskopähnlicher, begrenzter FoV-Tracking-Konzentrator mit reduzierten Anforderungen an die optische Qualität und Ausrichtungsgenauigkeit, da das Ziel darin besteht, Licht zu konzentrieren und nicht ein Sonnenbild zu erzeugen. Der statische Konzentrator benötigt weder bewegliche Teile noch Strom, um Licht zu sammeln. Die Simulationen seiner Effizienz zeigen eine gute Leistung bei der Inaktivierung von Krankheitserregern mit den gewählten Parametern und könnten mit der Systemoptimierung gesteigert werden. Die nächsten Schritte werden eine Machbarkeitsstudie, ein Prototyping der optischen Konzentratoren und Leistungstests zur Inaktivierung von Krankheitserregern an stark reflektierenden Luftkanälen sein, um die Simulationen zu validieren. Darüber hinaus könnte der Konzentrator durch die Erfassung eines anderen Wellenlängenbandes auch andere Anwendungen als UVGI finden. UVA-Licht könnte beispielsweise einige biologische Funktionen stimulieren, etwa das Wachstum von Hydrokulturen und die Produktion von Vitamin D fördern oder einfach sichtbares Licht für eine natürliche Innenbeleuchtung liefern und gleichzeitig den Einsatz von empfindlichen Glasfenstern reduzieren. In diesem Fall könnten die mehrschichtigen dielektrischen Beschichtungen verwendet werden, um das System für eine hohe Effizienz in diesen Spektralbereichen zu optimieren. Bei fehlender Sonneneinstrahlung, sowohl auf dem Mond als auch in anderen Umgebungen wie Raumfahrzeugen oder Außenposten auf dem Mars, könnte das Konzept der hochreflektierenden Kanäle zur Luftdesinfektion mit künstlichen UVC-Quellen genutzt werden, wie es auf der Erde geschieht.

Die während der aktuellen Studie generierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Luigi Lessio

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Maria G. Pelizzo

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ML schrieb die ursprünglichen Entwürfe, überprüfte und redigierte das Manuskript, RA, MEC und CP schrieben den Abschnitt über Mikrobiologie, EMA schrieb den Teil über Sonneneinstrahlung, LS, G.Mo. und VDC führten die Simulationen durch, überprüften und redigierten das Manuskript, LL, AM, AB, MGP und MF trugen zur Methodik bei und diskutierten die Daten, PA, G.Ma., FC, ED und GP trugen zur Forschung bei und redigierten das Manuskript . Alle Autoren haben das Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Matteo Lombini.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 25. November 2022

Angenommen: 18. Mai 2023

Veröffentlicht: 23. Mai 2023

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

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