Оптика LEDiL как средство от коронавируса

Сегодня мы с вами вместе наблюдаем уникальное явление — пандемию коронавируса. Это случается гораздо реже, чем солнечное затмение или очередное предсказание конца света в желтой прессе. Трудно сказать, что стало причиной этого уникального явления — утечка зловредного вируса из военной биолаборатории или спонтанная мутация вирусов от летучей мыши в желудке китайского гурмана на рынке в Ухане. Новый вирус быстро распространяется между людьми воздушно-капельным путем, подобно гриппу или ОРЗ, и поражает легкие, кошельки и умственные способности. Медицинские проблемы с легкими лучше всего умеют решать врачи, оставим им эту тему. Сопутствующие осложнения коронавирусной инфекции в кошельках граждан связаны с двухмесячной самоизоляцией без зарплаты, что приводит к ярко выраженной дистрофии личных финансов. Что в свою очередь вызывает схлопывание покупательной способности населения, и это уже угнетает потребительскую экономику в целом, загоняя ее в рецессию и анорексию. Как следствие, возникает обширное воспаление безработицы и острые колики социальных конфликтов. Это хорошо видно на примере уличных протестов и сопутствующих погромов в американских городах. Корона­вирусные поражения головного мозга столь же бесконечно разнообразны, как и обыкновенная человеческая глупость, но протекают в гораздо более тяжелой форме. В качестве наглядной иллюстрации этого явления можно упомянуть премьер-министра Канады, покаянно стоящего на коленях перед канадскими протестующими, которые недовольны гибелью афроамериканца от рук американских полицейских в городе Миннеаполис. Или же поджоги вышек связи 5G как источника коронавирусной инфекции, которые происходили в старой доброй и просвещенной Англии! До нынешней пандемии подобные ситуации было бы сложно вообразить… Очевидно, что коронавирус вышел за рамки медицинских проблем, эта инфекция охватила экономику и политику. Мир серьезно захворал и постепенно погружается в кризис. Злые политэкономисты говорят, что причина кризиса в том, что капитализм уже захватил весь мир и ему некуда дальше расширяться, а коронавирус лишь подтолкнул и ускорил наступление этого кризиса. Но для нас важно другое, любой кризис — это время возможностей, и пора начинать думать, как можно вытащить из этого глобального свинства свой локальный кусочек ветчины.

В период экономических перемен умирает бизнес, потерявший актуальность, и развивается то, что востребовано в новой реальности. Уже сейчас мы наблюдаем появление новых требований социального дистанцирования и рост популярности удаленной работы, увеличение доли онлайн-торговли и развитие интернет-сервисов для дистанционного общения. Исходя из этого можно предположить уменьшение спроса на офисы в деловых кварталах и снижение транспортных потоков офисного планктона, который массово мигрирует дважды в день на работу и обратно. Как следствие, может случиться падение продаж легковых авто и снижение инвестиций в строительство автодорог в будущем. Люди, сидящие по домам, станут потреблять в разы меньше одежды и обуви. При этом резко вырастет потребность в онлайн-развлечениях и виртуальном общении. Возможно, кто-либо всё же догадается, как создать виртуальные деньги на основе лайков в социальных сетях и видеохостингах. Популярность во все века привлекала деньги, сейчас же появились технологические возможности для прямой монетизации сетевой популярности. В нашей светотехнической отрасли новые реалии могут привести к снижению спроса в сегменте офисного освещения и офлайн-ретейла. С другой стороны, может вырасти потребность в качественном освещении больниц и жилых квартир, которые многим людям будут теперь служить рабочим кабинетом. В отдаленной перспективе развитие цифровых коммуникаций может привести к появлению светильников с Li-Fi (со скоростным Интернетом по световому каналу). А уже прямо сейчас есть большой спрос и неудовлетворенная потребность в ультрафиолетовых светильниках для антивирусной дезинфекции. Ультафиолетовое (УФ) излучение давно применяется в разных областях промышленности, медицины и криминалистики (рис. 1). УФ-излучение делится на четыре диапазона: УФ-А (длинноволновое 315–400 нм), УФ-В (280–315 нм), УФ-С (180–280 нм) и вакуумное УФ (ВУФ) с 100–180 нм. УФ-А-светодиоды коммерчески используются с возрастающей частотой в таких областях, как отверждение чернил и клеев, поскольку они имеют более высокую мощность излучения по сравнению с УФ-В и УФ-С. Другие области применения включают использование УФ-А-света в криминалистике, анализе белка и обнаружении поддельных купюр.

Рис. 1. Области применения УФ-излучения

Во время коронавирусной пандемии резко вырос спрос на бактерицидные светильники. Дезинфицировать поверхности можно и химическими веществами, но со временем многие вирусы и бактерии адаптируются к дезинфицирующим растворам и антибиотикам. УФ-излучение имеет преимущества — оно безотказно уничтожает микроорганизмы и его можно моментально выключить при появлении людей в опасной зоне, что невозможно сделать с парами хлора и других химикатов. УФ-излучение воздействует на микроорганизмы, лишая их способности размножаться, разрушая нуклеиновые кислоты и ДНК в спектральном диапазоне 205–315 нм. При этом степень воздействия на микроорганизмы определяется кривой относительной спектральной бактерицидной эффективности. Эта кривая получена опытным путем и показывает, что ДНК и РНК большинства бактерий и вирусов наиболее чувствительны к излучению с длиной волны 260–270 нм. До недавних пор источником ультафиолета служили ртутные лампы. Для бактерицидной дезинфекции применяли ртутные лампы низкого давления (РЛНД) как наиболее энергоэффективные.

Относительно недавно на рынке появились УФ-светодиоды. На графике (рис. 2) показаны спектры УФ-светодиода и ртутной лампы низкого давления (РЛНД) и кривая относительной спектральной бактерицидной эффективности (выделена фиолетовым цветом). Из графиков видно, что ширина диапазона излучения светодиодов больше, чем ширина линии излучения 254 нм. Как показывают исследования [1], значительная или максимальная УФ-инактивация патогенов происходит между длинами волн 259 и 280 нм. Предполагается, что УФ-С-светодиоды имеют несколько путей инактивации: они воздействуют не только на ДНК (259 и 280 нм), но и на белки (280 нм), поэтому с ростом эффективности УФ-С-светодиодов такое преимущество по отношению к РЛНД, позволяющее комбинировать несколько длин волн в одном УФ-облучателе, будет явно выигрышным.

Рис. 2. Сравнение спектров излучения светодиодов и ртутных ламп со спектром чувствительности микроорганизмов к УФ

Помимо подбора нужной длины волны излучения, для уничтожения различных патогенов нужны разные дозы энергии. Обеззараживание УФ-излучением (инактивация патогенных микроорганизмов) проводится в воздушной среде или на поверхностях до некоторого определенного уровня. Время облучения объекта, при котором достигается заданный уровень бактерицидной эффективности, называется длительностью эффективного облучения. В нашей стране при оценке бактерицидной эффективности УФ-облучения воздушной среды помещения или поверхности принято ориентироваться на S. aureus (золотистый стафилококк).

В случае облучения поверхности выделяют две характеристики: облученность (мощность поверхностной дозы) и поверхностная доза (воздействие УФ-излучения в течение промежутка времени). Наиболее часто используемые единицы измерения — Вт/см² и Дж/см² соответственно. Единицы измерения в системе СИ — Вт/м² и Дж/м². Эти величины взаимосвязаны следующим образом: 1 Вт = 1 Дж/с. В различных источниках H_S для инактивации большинства патогенов указывается в диапазоне 2–20 мДж/см². Перевод из одной единицы в другую будет таким: 1 мДж/см² = 10 Дж/м². Для золотистого стафилококка дозы указаны в таблице 1. Для обеззараживания поверхностей иногда приводится и понятие флюенса, но оно отличается от понятия поверхностной дозы тем, что используется в сложных исследованиях, где учитывается внутренняя поверхностная доза с многократными отражениями и рассеянием в ткани [2]. В задачах обеззараживания воздуха используется объемная доза (экспозиция) H_v — отношение энергии бактерицидного излучения к воздушному объему облучаемой среды [4], измеряется в Дж/м³. В литературе [3, 4] приводятся дозы, необходимые для инактивации патогенных организмов на 1–4 порядка (85, 90, 95 и 99,9%) в лабораторных условиях.

Актуальной информации по COVID-19 не много, и приходится ориентироваться на малочисленные источники. В [5] можно найти сводные данные, собранные из различных источников по обеззараживанию поверхностей с помощью УФ-С от вируса SARS-CoV-1, наиболее близкого к COVID-19. Также там показано, что для обеззараживания поверхностей требуется доза 360–1000 мДж/см² (табл. 2). Таким образом, 360 мДж/м² = 3600 Дж/м² — это один из самых высоких показателей среди почти 130 вирусов. Данные по дозам разнятся от источника к источнику, это объясняется тем, что условия в испытаниях отличаются. Кроме того, они проводятся на различных типах поверхностей, в том числе загрязненных органикой. Скорость обеззараживания очень зависит от типа и формы поверхности. Для SARS-CoV-1 для поверхности масок (ткань) исследователями определена доза 360 мДж/см² для инактивации на 90% и 1000 мДж/см² для 99,9%. Как показывают исследования, структура поверхности очень влияет на дозу.

В [6] указано, что вирус COVID-19 не обнаруживается через четыре дня на пластике и нержавеющей стали, на картоне — через два дня и на меди — через 4 ч. Опыт по обеззараживанию масок N95 FFRs показал, что облучение только внешней стороны маски не уничтожает вирус на обратной стороне, обращенной к носителю. При этом уровни облучения расходятся на порядок: 7,34 мВт/см² против 0,10 мВт/см². Поэтому, если речь идет об обеззараживании масок и других объектов, например продуктов в упаковке, только принесенных из магазина, то требуется проводить дезинфекцию всех поверхностей отдельно.

Важно отметить, что применяемая доза не обязательно совпадает с фактической дозой, которую получает обработанный вирус. Фактическую дозу легко измерить экспериментально, но реально достигшую поверхности — задача не тривиальная. Если существуют эффекты затенения или поглощения из окружающей среды, то фактическая доза, достигающая вируса, будет ниже. Для гладких поверхностей доза существенно ниже, чем для пористых. Но поскольку точных данных для COVID-19 нет, мы будем ориентироваться на золотистый стафилококк.

Если мы будем сравнивать новомодные светодиодные и традиционные ртутные источники ультрафиолета, то можно отметить следующие достоинства и недостатки.

Достоинства ртутных ламп низкого давления таковы: они дешевы и их энергоэффективность достигает 30%. И конечно же, у них есть недостатки: пик излучения на длине волны 254 нм эффективен далеко не для всех задач. Во время работы ртутные лампы выделяют вредный газ озон (в случае применения кварцевого стекла). Колбы ламп хрупкие и боятся вибраций. Ресурс работы ртутной лампы около 10 000 ч, но ее полезный световой поток начинает снижаться с момента включения. Поэтому для учета реальной дозы УФ-излучения приходится использовать специальный счетчик ресурса работы для каждой лампы. Эксплуатация ртутных ламп требует заметных хлопот, поскольку нужно постоянно контролировать время наработки ртутных ламп и вовремя их менять. Утилизация ламп стоит денег, и это сложная процедура, которая требует соблюдения обязательной бюрократической отчетности. От частых включений/выключений рабочий ресурс ртутных ламп резко падает, поэтому их выгодно применять только в стационарных и постоянно работающих системах общей дезинфекции воздуха и поверхностей.

Недостатки светодиодных источников ультрафиолета: высокая цена и относительно низкая энергоэффективность. Но УФ-светодиоды имеют массу достоинств: долгий срок службы, стабильный поток ультрафиолета все время службы светодиодного светильника. УФ-светодиоды можно часто включать и выключать без вреда для их параметров и срока жизни. Светодиоды не боятся вибраций и сотрясений. Светодиоды дают возможность создавать УФ-облучатели с нужными спектрами, эффективными для решения разных задач. УФ-светодиоды не озонируют воздух во время работы. Маленькие габариты светодиодов удобны для работы с оптикой для фокусировки излучения на дезинфицируемых поверхностях.

Поскольку УФ-светодиоды имеют низкую мощность излучения и угол излучения около 120°, то для повышения эффективности можно использовать оптику, которая концентрирует лучистый поток и направляет его на обеззараживаемую поверхность. Это позволяет достичь нужной дозы и дезактивировать вирусы и прочие патогены за меньшее время или же меньшей дозой. Для создания линз УФ-диапазона раньше применяли кварцевое стекло, но сейчас появились оптические силиконы, эффективно работающие в UV-C-диапазоне. Для создания рефлекторов УФ-диапазона обычно применяют алюминий, который хорошо отражает УФ-лучи и не деградирует под их воздействием. На рис. 3 представлены спектральные характеристики оптического силикона и алюминия.

Рис. 3. Спектральные характеристики пропускания оптического силикона и отражения алюминия

В настоящее время самый большой ассортимент оптики для УФ-светодиодов производит финская компания LEDiL. Она разрабатывает оптику для УФ-светодиодов более 10 лет и в настоящее время производит такие линзы из оптического силикона для UV-C-светодиодов:

• F15074_ZORYA-SC со всенаправленной диаграммой излучения 320°;
• FN15264_STELLA-HB-WWW с диаграммой излучения 100°;
• FN14720_STELLA-FRESNEL с диаграммой излучения 25°;
• FN17294_VIOLET-12X1-S с диаграммой излучения 20°.

Помимо линз, в ассортименте продукции компании LEDiL есть девять алюминиевых рефлекторов семейства ALISE, разного размера и с разными углами излучения. Эти рефлекторы тоже эффективно работают с УФ-светодиодами UV-C-диапазона.

Недавно в ассортименте LEDiL появилась линза для UV-C-светодиодов. Речь идет о линзе FN17294_VIOLET-12X1-S (рис. 4).

Рис. 4. Фото линзы FN17294_VIOLET-12X1-S

В зависимости от задачи угол излучения линзы может варьироваться от 20° (со одним светодиодом Seoul WICOP DY9560-27 под каждой линзой) до 43° (с четырьмя светодиодами Seoul WICOP DY9560-27 под каждой линзой) (рис. 5).

Рис. 5. КСС (диаграмма излучения) линзы FN17294_VIOLET-12X1-S

FN17294_VIOLET-12X1-S работает с УФ-светодиодами Seoul, Nichia, LiteON, Viosys и прочими им подобными. Оптическая эффективность линзы достигает 72%, что в настоящее время представляет наилучший результат в отрасли для оптики из оптического силикона. Размер линзы составляет 295×42 мм, высота 8,8 мм. Линза выполнена из эластичного оптического силикона и сама по себе служит герметизирующей прокладкой, надежно защищая плату с 12 светодиодами от воздействия внешней среды. В комплекте к линзе предусмотрена металлическая рамка, которая крепится винтами и прижимает края линзы к радиатору и не деградирует от воздействия УФ-излучения.

Рассмотрим пример обеззараживания поверхностей сидений и поручней в вагоне метро на базе линзы VIOLET и светодиодов WYCOP DY9560-27. Так как точных данных по COVID-19 для поверхностей вагона у нас нет, будем ориентироваться на золотистый стафилококк. Вагон относится в помещениям, в которых достаточно набрать дозу 49 Дж/м² (соответствует уровню бактерицидной эффективности 90%).

Мощность УФ-излучения светодиода 11 мВт, всего светодиодов под одной линзой — 48 штук, так как конструкция оптического модуля VIOLET позволяет разместить четыре светодиода под каждой из 12 линз. При этом диаграмма излучения линзы будет около 40°. Оптические потери для линзы VIOLET в диапазоне УФ-излучения составляют около 28%. Коэффициент эксплуатации в расчете равен 0,85.

В примере расчета системы дезинфекции вагона метро 24 светильника установлены с шагом 2 м в две линии и наклонены в сторону окна на 5° (рис. 6). Это сделано для того, чтобы облучение попадало не только на горизонтальную поверхность, но и на спинку сиденья.

Рис. 6. Распределение УФ-облученности по поверхностям сидений (мВт/м²)

Результаты расчета представлены на рис. 6. Из таблицы 3 видно, что время облучения, если ориентироваться на среднюю облученность, составляет 12 мин для горизонтальной поверхности. Если ориентироваться на минимальную облученность, то время облучения нужно увеличить в два раза. Конечно же, для точного определения бактерицидного эффекта потребуются экспериментальные данные, поскольку в приведенном примере не учитывались шероховатость поверхности сидений и степень их загрязненности, но в качестве наглядной иллюстрации этот пример расчета показателен.

Рассмотрим общий пример обеззараживания поверхностей. Геометрия модели представлена на рис. 7.

Рис. 7. Вид расчетной модели

В расчете использовалась та же конфигурация: линза VIOLET со светодиодами Wisop по 4 штуки под каждой линзой, всего 48 светодиодов, оптическая мощность излучения равна 385 мВт с учетом оптических потерь. График зависимости облученности показан на рис. 8.

Рис. 8. Облученность кабины лифта светильником с VIOLET (48 УФ-С светодиодов) в фиктивных цветах (мВт/м²)

В зависимости от расстояния до расчетной плоскости полученная поверхностная доза будет меняться. Рассмотрим, например, расстояние 0,5 м — условно УФ-излучатель расположен над рабочим столом в виде настольной лампы. Чтобы обеззаразить от COVID-19 область размером 35×35 см, по расчету потребуется около 40 мин. А если УФ-светильник с VIOLET повесить на высоте 2 м, то можно облучить поверхность размерами 1×1 м и понадобится уже 7 ч.

Время существенно сокращается при уменьшении расстояния между целевой поверхностью и УФ-облучателем. Так, если целевая поверхность расположена на расстоянии 10 см, то потребуется около 5 мин (расчетное время), чтобы обеззаразить площадь размерами около 7,5×27 см, что важно для небольших установок, в которых обеззараживаются маски или небольшие предметы. Для расстояний 0,2 и 1 м данные о длительности облучения можно найти в таблице 4.

Помимо дезинфекции вагонов общественного транспорта или салонов самолетов, линзы VIOLET могут эффективно работать в УФ-системах обеззараживания воды и продуктов питания, применяться для УФ-очистки пола под уборочной машиной, в системах УФ-облучения семян растений перед посадкой, для сушки и отверждения специальных пластиков, лаков и красок в промышленности, а также перспективны для бактерицидной обработки растений в теплицах и, возможно, пригодятся для дезинфекции клавиатур платежных терминалов.

Очень эффективно применять направленную оптику для УФ-дезинфекции лифтовых кабин, что весьма актуально в наших домах, поскольку в лифтах слабая вентиляция и зараженные микрокапли влаги могут висеть после кашляющего пассажира в воздухе кабины достаточно долго. А направленный пучок ультафиолета сможет эффективно просветить весь воздух по высоте лифтовой кабины. Рассчитаем необходимое количество светильников для лифта размерами 1,58×1,73 м. Объем такого помещения составит 1,58×1,73×2,1 = 5,74 м³. Для обеззараживания кабины, согласно [4], требуется обеспечить дозу H_v = 105 Дж/м³. Светильник VIOLET излучает 385 мВт. За 30 мин объемная доза облучения составит 0,385 Вт × 1800 с/5,74 м³ = 120,5 Дж/м³. Таким образом, чтобы снизить время облучения до 5 мин, потребуется взять шесть облучателей. Это очень ориентировочный расчет, так как объемная доза зависит от влажности, воздушной вентиляции и прочих факторов. В любом случае такая УФ-система вполне может снизить возможность заражения различной инфекцией в лифте. Распределение облученности по поверхностям лифта показано на рис. 8.

Линзы VIOLET не менее эффективны и в системах потолочной дезинфекции воздуха. С их помощью можно сформировать под потолком горизонтальный веер УФ-света, ограниченный по высоте углом излучения линзы, который будет интенсивно обеззараживать циркулирующий в помещении воздух, поступающий снизу в верхние слои, где происходит обеззараживание. При таком расположении УФ-светильника дезинфекцию воздуха можно сделать безопасной для людей, находящихся в комнате. Одним словом, линзы VIOLET будут полезны везде, где нужно сконцентрировать ультрафиолет для ускорения дезинфекции с помощью УФ-С-светодиодов. Поэтому линзы FN17294_VIOLET-12X1-S можно рассматривать в качестве важного компонента светотехнических средств борьбы с коронавирусом и другими патогенными микроорганизмами.

Коронавирусная пандемия продолжает сотрясать мировую экономику, ВОЗ обещает осенью вторую волну глобальной эпидемии, а Китай уже в июне, не дожидаясь осенних выборов в США, закрыл на карантин свою столицу Пекин. Похоже, коронавирусная болезнь потребительской экономики затянется надолго и, возможно, по выздоровлении экономика перестанет быть потребительской. Но и в этой ситуации глобального падения рынков появляются возможности для роста светотехнического бизнеса, связанного с дезинфекцией и борьбой с вирусами. И для этого уже сейчас есть все необходимые компоненты и технологии. Окно возможностей открывается…