Collecteur solaire de lumière ultraviolette pour l'irradiation germicide sur la lune

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8326 (2023) Citer cet article

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Des missions prolongées avec équipage humain sur la Lune sont prévues comme porte d'entrée pour Mars et la colonisation des astéroïdes dans les prochaines décennies. Les risques pour la santé liés à une longue permanence dans l'espace ont été partiellement étudiés. Les dangers dus aux contaminants biologiques en suspension dans l'air représentent un problème pertinent dans les missions spatiales. Une manière possible d'effectuer l'inactivation des agents pathogènes consiste à utiliser la gamme de longueurs d'onde la plus courte du rayonnement ultraviolet solaire, la gamme dite germicide. Sur Terre, il est totalement absorbé par l'atmosphère et n'atteint pas la surface. Dans l'espace, un tel composant solaire ultraviolet est présent et une irradiation germicide efficace pour l'inactivation des agents pathogènes en suspension dans l'air peut être obtenue à l'intérieur des avant-postes habitables grâce à une combinaison d'un revêtement interne hautement réfléchissant et d'une géométrie optimisée des conduits d'air. Le collecteur solaire de lumière ultraviolette pour l'irradiation germicide sur la Lune est un projet dont le but est de collecter le rayonnement solaire ultraviolet et de l'utiliser comme source pour désinfecter l'air recyclé des avant-postes humains. Les positions les plus favorables pour placer ces collecteurs sont au-dessus des sommets des pôles de la Lune, qui ont la particularité d'être exposés au rayonnement solaire la plupart du temps. En août 2022, la NASA a communiqué avoir identifié 13 régions d'atterrissage candidates près du pôle sud lunaire pour les missions Artemis. Un autre avantage de la Lune est sa faible inclinaison sur l'écliptique, qui maintient l'altitude apparente du Soleil dans une plage angulaire réduite. Pour cette raison, le rayonnement solaire ultraviolet peut être collecté via un collecteur de suivi du soleil simplifié ou même un collecteur statique et utilisé pour désinfecter l'air recyclé. Des simulations dynamiques des fluides et optiques ont été réalisées pour soutenir l'idée proposée. Les taux d'inactivation attendus pour certains agents pathogènes en suspension dans l'air, qu'ils soient communs ou trouvés sur la Station spatiale internationale, sont rapportés et comparés à l'efficacité du dispositif proposé. Les résultats montrent qu'il est possible d'utiliser directement le rayonnement solaire ultraviolet pour la désinfection de l'air à l'intérieur des avant-postes lunaires et d'offrir un environnement de vie sain aux astronautes.

Les programmes d'exploration spatiale du futur proche consistent à ramener des humains à la surface de la Lune. En particulier, le programme Artemis de la NASA vise à amener la première femme et le prochain homme sur la Lune d'ici 2024 pour la première mission de longue durée1. Un objectif établi pour différentes agences et organisations est de coloniser la Lune et de construire des avant-postes sur la surface lunaire2. A plus long terme, l'objectif est d'amener des humains sur Mars : les expériences qui seront menées sur la Lune sont, en partie, pour soutenir les futures missions martiennes. La longue durée et l'exploration des vols spatiaux habités posent de nombreux défis importants exposant les astronautes à des environnements présentant des risques incertains et inconnus pour leur santé. Des dangers potentiels biologiques, chimiques et physiques sont posés à chaque phase d'une mission3,4,5,6. À l'heure actuelle, la Station spatiale internationale (ISS), dotée d'un personnel permanent depuis l'entrée du premier équipage résident dans l'installation le 2 novembre 2000, est le seul environnement de vie et de travail orbital en dehors de l'atmosphère terrestre. Des études menées à l'intérieur de l'ISS font référence à des risques potentiels pour la santé lors de vols spatiaux7,8,9. Des publications et rapports d'expériences à bord de la station spatiale chinoise Tiangong, en équipage depuis 2021, sont attendus dans les prochaines années10. Des publications d'autres engins spatiaux à plus court terme, tels que la navette spatiale, sont disponibles8,11. Les contaminants biologiques peuvent être liés à des infections, des allergies et des effets toxiques. Bien que la plupart des micro-organismes ne menacent pas la santé humaine et joueront probablement un rôle essentiel (par exemple, assainissement des déchets, purification de l'eau et de l'air, sources de nourriture lors de missions à long terme), les micro-organismes peuvent produire des effets néfastes sur la santé des membres d'équipage, en raison notamment à la déficience du système immunitaire des astronautes12 et aux modifications des caractéristiques moléculaires et biochimiques des micro-organismes13,14,15.

Pour réduire la possibilité de contamination intérieure à bord des engins spatiaux, des mesures préventives sont actuellement appliquées : contrôles de santé des astronautes avant le départ, vaccinations, quarantaine, contrôle microbiologique des aliments, contrôle du matériel envoyé à bord, activités d'amélioration de l'hygiène personnelle, désinfection de l'environnement7,11. Différents appareils couplés ou non à des systèmes de Chauffage, Ventilation et Climatisation (HVAC) peuvent être utilisés pour la désinfection de l'air. Parmi les nombreuses méthodes de désinfection qui ont été développées, nous nous concentrerons sur l'irradiation germicide ultraviolette (UVGI) par la lumière UVC (200-280 nm), qui inactive de nombreux micro-organismes, tels que les virus, les bactéries, les protozoaires, les champignons, les levures et les algues16, 17. Lors de l'absorption UVC, les pyrimidines de l'ARN ou de l'ADN sont principalement converties en dimères de pyrimidine (mais cela rompt également la liaison croisée entre les acides nucléiques et les protéines). Si la population de dimères est suffisamment élevée, des erreurs de transcription se produisent, entraînant finalement l'inactivation de la réplication des micro-organismes. L'efficacité de l'irradiation UVC à inactiver les micro-organismes dépend de plusieurs facteurs puisque la dose requise dépend des facteurs intrinsèques aux différents micro-organismes vis-à-vis de la lumière UVC18,19,20. De plus, le taux d'inactivation dépend de la longueur d'onde d'irradiation21, de la distance de la source22, du temps d'exposition23, de l'humidité relative (HR)24,25 et d'une filtration adéquate de la poussière26, qui absorbe et diffuse la lumière, protégeant ainsi les agents pathogènes. Dans ce cadre, les auteurs ont mené des études sur des dispositifs UVGI très efficaces qui exploitent le concept d'amélioration de la densité de puissance des sources UVC à l'intérieur d'un volume (le conduit d'air) en raison d'une réflectivité élevée des surfaces internes27,28,29,30 ,31. Contrairement à l'eau, les composants de l'air sont très transparents aux longueurs d'onde utilisées32 et l'absorption des UVC par les agents pathogènes est minime grâce à leur très faible concentration33. Puisqu'aucun effet secondaire n'est produit, la dose de lumière UVC peut être administrée « en morceaux » après l'une des nombreuses réflexions internes, selon la loi de Bunsen et Roscoe34. Contrairement aux applications terrestres, où les sources UVC sont artificielles (par exemple, les lampes à vapeur de mercure ou les LED), notre idée est d'utiliser, pour la première fois, la composante UVC du rayonnement solaire directement comme source35 pour la désinfection de l'air à l'intérieur du module habitable des avant-postes lunaires36. Le Solar ultrAvIolet Light cOllector for Germicide irradiation on the Moon (SAILOR Moon) est un projet où la composante UVC du rayonnement solaire est collectée et devient la source d'UVGI, rendue possible en raison de la particularité des pôles de la Lune par rapport à l'exposition prolongée au soleil . En exploitant la puissance accrue à l'intérieur du conduit d'air produite par des surfaces internes hautement réfléchissantes, il est possible d'obtenir une puissance suffisante pour inactiver efficacement les agents pathogènes en suspension dans l'air. Les objectifs de l'étude étaient de démontrer, bien que par des simulations, qu'il est possible d'obtenir une inactivation efficace des pathogènes en utilisant uniquement la bande UVC du rayonnement solaire. De plus, nous avons introduit un nouveau concept de concentrateur solaire statique pour une application spécifique aux pôles de la Lune, qui s'avère très efficace. Nous espérons apporter une alternative possible aux systèmes de désinfection actuels ou proposés pour les modules habitables lunaires et, plus généralement, pour les missions humaines prolongées dans l'espace extra-atmosphérique. Le présent document est organisé comme suit : une description des dangers potentiels pour la permanence à long terme dans l'espace et un bref examen des agents pathogènes trouvés à bord de l'ISS sont donnés. Ensuite, les conditions d'irradiance solaire sur la Lune et le concept SAILOR Moon sont décrits, et les performances de l'efficacité d'inactivation de l'agent pathogène par des simulations optiques et CFD sont rapportées. Les résultats de la simulation sont comparés à la dose d'UV requise pour certains agents pathogènes en suspension dans l'air. Bien que l'objectif de cet article soit de présenter une nouvelle idée à la communauté scientifique, l'étude a été réalisée en supposant certaines simplifications du modèle, décrites à la fin de la section "Résultats et discussions".

Les risques potentiels pour la santé pendant les vols spatiaux comprennent les conséquences à court terme du fait d'être en microgravité (par exemple, nausées, vision floue), ainsi que les conséquences à long terme sur la santé qui surviennent ou persistent des mois ou des années après un vol (par exemple, les cancers perte de masse osseuse)6,12. Les astronautes sont depuis longtemps dans des conditions de microgravité et sont exposés à un compromis du système immunitaire. La microgravité détermine l'altération de la distribution des leucocytes circulants, la production de cytokines, la fonction des cellules Natural Killer et T, la fonction des granulocytes, les niveaux d'immunoglobulines, l'immunité spécifique aux virus et une réactivation accrue des virus latents14,37,38,39, 40,41,42. De plus, les astronautes sont exposés à l'altération de la population microbienne commensale, à la réduction de la présence de micro-organismes anaérobies et à l'augmentation des bactéries aérobies à Gram négatif et des staphylocoques sur la peau, les voies respiratoires supérieures et le côlon43,44,45,46,47,48. De plus, il existe des altérations environnementales qui modifient la réplication et la virulence des micro-organismes, telles qu'une croissance exponentielle accrue, des concentrations minimales inhibitrices plus élevées envers les différentes classes d'agents antimicrobiens, une formation accrue de biofilm et une survie accrue dans les macrophages14,15,49,50,51 ,52,53. Dans ces conditions, tous les micro-organismes doivent être considérés comme potentiellement pathogènes pour l'homme. Les micro-organismes peuvent également déterminer les dommages aux matériaux; des études réalisées sur Mir et ISS ont indiqué que certains équipements et matériaux de structure étaient sujets à l'accumulation et à la prolifération de bactéries et de champignons biodestructeurs54,55. Des dommages aux polymères et aux métaux pourraient être observés. Cela a entraîné des dysfonctionnements, voire des bris d'unités spécifiques, par exemple les climatiseurs, les systèmes de recyclage de l'eau, etc., et la dégradation des matériaux critiques de l'engin spatial, ce qui peut entraîner une défaillance du système et mettre en danger les équipages7. Les infections des membres d'équipage ou les problèmes de santé liés à l'action pathogène des micro-organismes n'ont été signalés que rarement56. Les membres d'équipage sont la première source de micro-organismes, capables d'éliminer de nombreuses particules (potentiellement porteuses d'agents biologiques) dans l'environnement tant par la desquamation de la peau que par les actes de toux, d'éternuement, de parole, de respiration, etc., dans un environnement rendu plus complexe par microgravité42,44,57,58,59,60,61,62 et l'impossibilité d'échanger avec l'air primaire. Les données obtenues à partir d'Apollo39, de Skylab8, de la navette spatiale50 et de la station spatiale russe Mir40,49 confirment que les environnements spatiaux sont compatibles avec l'occupation humaine. Cependant, les charges utiles biologiques, les véhicules de ravitaillement, le matériel et les fournitures, les aliments ou le matériel végétal sont des sources supplémentaires de micro-organismes63.

Les micro-organismes sont omniprésents dans les modules habitables des engins spatiaux47,50, et, dans des environnements fermés en conditions de microgravité, ils se propageront partout pendant longtemps7,9,54,64.

La biocontamination environnementale de l'ISS fait l'objet d'un suivi depuis les premiers jours de sa construction et est sous surveillance depuis sa première habitation. L'accent a été mis sur la qualité de l'air et la contamination de surface des structures internes8,65,66. La surveillance de la communauté microbienne à bord de l'ISS est essentielle pour évaluer les facteurs de risque pour la santé des membres d'équipage et évaluer l'intégrité matérielle du vaisseau spatial8,65,66. Depuis le début de l'ISS, une surveillance microbienne de routine des surfaces, de l'air et de l'eau a eu lieu à l'aide de techniques basées sur la culture11,67. Cependant, seule une infime fraction d'organismes peut être détectée à l'aide d'une analyse basée sur la culture, ce qui limite la compréhension de la diversité des microbes67. Par conséquent, des méthodes moléculaires sont en cours de développement pour leur utilisation sur l'ISS, telles que la réaction en chaîne par polymérase quantitative (qPCR) et le séquençage d'amplicon ciblé, qui peuvent identifier et quantifier les organismes cultivables et non cultivables et fournir une évaluation plus approfondie de ce qui est présent et dans quoi montants61,68,69,70,71. Quoi qu'il en soit, la surveillance microbienne de l'ISS avec des méthodes moléculaires n'est pas systématiquement utilisée en raison du manque d'instruments de traitement d'échantillons simples, compacts et fiables à bord de l'ISS65,66,67,68. De plus, de nouvelles approches (par exemple, le séquençage de nouvelle génération-NGS, la protéomique, la PCR en temps réel) ont été appliquées, traitant de la surveillance en temps réel61,68,69,70,71. Dans ce concours, nous pouvons tirer parti des connaissances dans les établissements de soins de santé, les salles d'opération, l'industrie pharmaceutique, alimentaire et électronique et le patrimoine culturel, soutenues par des expériences antérieures dans les missions spatiales, MIR et ISS11,65,66,72,73 ,74,75 et, également, dans la base antarctique périodiquement confinée Concordia, le confinement prolongé de l'équipage a entraîné une augmentation de la contamination aéroportée associée à l'activité humaine76,77. Le microbiome de l'ISS ne s'est pas avéré stable en composition et en diversité, bien qu'un microbiome central persiste dans le temps indépendamment du microbiome de l'équipage individuel. Tous les genres de microbiome central ont également été trouvés dans des échantillons de poussière de l'ISS de 2004 et 2008, ainsi que d'autres études sur le microbiome de l'ISS, indiquant que ce microbiome central est bien établi à bord de l'ISS56. De plus, une méta-analyse basée sur la génomique a démontré que même si les pangénomes de Bacillus et de Staphylococcus isolés de l'ISS différaient de leurs homologues terrestres, ces différences ne semblaient pas menacer la santé78. Les espèces bactériennes trouvées dans l'ISS sont les plus associées au microbiome oral et aux voies respiratoires supérieures humaines61. La principale source de champignons en suspension dans l'air peut être de la nourriture ou du matériel végétal. Les principaux phyla bactériens détectés à bord de l'ISS dans l'air et sur les surfaces, par culture ou par des méthodes moléculaires, étaient Staphylococcus (Firmicutes), Corynebacterium et Propionibacterium (Actinobacteria)68. Dans les essais basés sur la culture, les espèces de Bacillus et de Staphylococcus étaient les Firmicutes les plus détectées, tandis que Staphylococcus dominait complètement les signatures affiliées aux Firmicutes détectées par des méthodes moléculaires. La raison la plus probable de cet écart observé pourrait être l'incapacité des protocoles standard d'isolement de l'ADN à ouvrir les spores de manière adéquate79. Les bactéries appartenant au Staphylococcus sp. genre ont été isolés de 84 % des échantillons de surface ; les deux deuxièmes genres les plus identifiés étaient Bacillus sp. (31,7 %) et Corynebacterium sp. (9,4 %)65. Les espèces prédominantes trouvées sur les surfaces étaient Staphylococcus auricularis, S. epidermidis (22,4%)9. Bacillus sphaericus et S. hominis, rencontrés dans 23,4%, 22,4%. 12,1 et 9,3 % des cas, respectivement. Des espèces au comportement pathogène opportuniste ont également été isolées (B. cereus, Eikenella corrodens et S. aureus)9. De plus, Flavobacterium indologenes, Pseudomonas putida et Xanthomonas malthophila, qui peuvent causer la biodétérioration des matériaux, ont été détectés43,44. Concernant les champignons, une plus grande abondance d'Aspergillus et de Penicillium à bord de l'ISS a été détectée soit par culture, soit en utilisant d'autres approches de détection65,79,80. À l'intérieur du module japonais Kibo de l'ISS, après un an d'opérations, aucun Penicillium mais des Malassezia associés à la peau n'ont été détectés81. Aspergillus sp., Penicillium sp. et Saccharomyces sp. étaient les genres les plus courants. Certains échantillons contenaient A. versicolor et Cladosporium sp. sont connus pour leur capacité à coloniser les polymères naturels et synthétiques. Inévitablement, l'ISS abritera également un nombre inconnu de micro-organismes65. Concernant la contamination virale, une revue récente42 fait état de 72 genres de virus différents identifiés, issus de 21 familles, dont ceux qui contiennent des pathogènes humains. Il convient également de noter que l'analyse métagénomique n'a été effectuée que sur le sous-ensemble regroupé d'échantillons environnementaux avec une longueur moyenne de lectures de 126 pb ; par conséquent, certains virus pourraient avoir été oubliés au cours de l'étude42. De plus, les génomes viraux sont sous-représentés dans les bases de données génomiques qui attribuent des séquences, de sorte qu'une partie importante peut rester non identifiée42. Les lectures similaires aux virus animaux ont été réparties en 33 genres, 13 connus pour infecter les humains et provoquer des maladies de gravité variable, y compris une gamme d'herpèsvirus, qui établissent une latence et peuvent subir une réactivation8. Les virus pathogènes étaient présents en faible abondance et peu susceptibles de causer des problèmes de santé importants lors de missions spatiales à court terme, même dans des conditions défavorables à un système immunitaire sain. Cependant, leur impact sur les missions de longue durée reste inconnu8,82. Le tableau 3 montre quelques micro-organismes en suspension dans l'air. Les doses d'inactivation requises, rapportées dans la littérature pour tous les micro-organismes considérés, ont été considérées comme des références lors du dimensionnement du système et du calcul de ses performances d'assainissement à travers des simulations.

L'irradiance solaire hors de l'atmosphère terrestre a été mesurée dans le cadre de l'instrument SOLar SPECtrometer (SOLSPEC)83 de la charge utile SOLAR à bord de l'ISS. La figure 1 montre l'irradiance spectrale extraite de l'archive de données SOLSPEC dans toute la bande UV (200–400 nm). Selon Biasin et al.84, et Beck et al.85, la région spectrale entre 240 et 280 nm peut être considérée comme ayant la même efficacité germicide. À une longueur d'onde inférieure, il est censé être le même86,87, mais il n'a pas été pris en compte dans les simulations d'efficacité de SAILOR Moon en raison de la formation d'ozone à l'intérieur des conduits d'air, qui est toxique88. Nous n'avons considéré que la bande passante 240–280 nm, avec une irradiance intégrée de 0,5 \(\textrm{mW}/\mathrm{cm^2}\), pour les calculs d'efficacité de l'UVGI. Dans les bandes UVB (280–320 nm) et UVA (320–400 nm), l'efficacité de la désinfection diminue mais l'irradiance solaire augmente. On pourrait donc s'attendre à un effet qui vaut la peine d'être exploité. De plus, des études suggèrent qu'une combinaison synergique d'UVC et d'une longueur d'onde plus longue pourrait augmenter le taux d'inactivation89,90, mais cela reste à étudier ultérieurement.

Irradiance solaire spectrale dans la bande ultraviolette du SPECtromètre SOLaire à bord de l'ISS. La partie rouge de la courbe est la bande passante UVC réduite utilisée pour les simulations d'efficacité de SAILOR Moon puisque la formation d'ozone à l'intérieur du conduit d'air se produirait pour la lumière avec \(\lambda<\) 240 nm.

Le choix de la Lune pour le dispositif proposé vient de sa faible obliquité par rapport au plan de l'écliptique, environ 1,5\(^\circ \). Cela signifie qu'aux latitudes polaires, l'élévation maximale pouvant être atteinte par le Soleil est de 1,5\(^\circ \). Par conséquent, on pense que les pôles abritent, à l'intérieur des cratères, des régions ombragées en permanence où la glace d'eau aurait pu être piégée (voir, par exemple, Hayne et al.91 et références ici). Le pourcentage de lumière solaire reçu par une zone donnée dépend en fait de l'inclinaison de l'axe de rotation et de la topographie de la région92. En raison de la nécessité et de l'intérêt d'établir une base lunaire à proximité de l'endroit où l'on peut trouver de la glace d'eau, des études approfondies ont été consacrées à comprendre si les caractéristiques topographiques sont associées à une illumination solaire suffisamment longue dans les mêmes régions93 pour assurer des opérations robotiques et humaines. . Les données obtenues notamment par les missions Kaguya94 et LRO95,96,97 ont confirmé l'existence des soi-disant "pics de lumière éternelle", appelés ainsi en 1880 par Flammarion92 : [français/anglais] Aux pôles lunaires (où l'on ne voit d'ailleurs ni neiges ni glaces), il y a des montagnes si étrangement comprises, que leur cime ne connaît pas la nuit ; jamais le Soleil ne s'est couché pour elles! On peut les appeler les montagnes de l'éternelle lumière / Aux pôles lunaires (où en effet on ne voit ni neige ni glace), il y a des montagnes si étrangement situées que leur sommet ne connaît pas la nuit ; le Soleil ne s'est jamais couché pour eux ! Nous pouvons les appeler les pics de la lumière éternelle". Ce sont des bords de cratères et de crêtes donnés éclairés pendant une grande partie de l'année. Les estimations précises sont obtenues en considérant la faible obliquité (et donc les variations saisonnières négligeables), la topographie de les caractéristiques aux pôles et la précession lunaire axiale (l'axe de rotation tourne en environ 18,6 ans).Selon Gläser et al.97, les meilleurs candidats en termes de pourcentage d'éclairement moyen sur 20 ans au pôle Nord sont la face à l'équateur bords des cratères Hinshelwood, Peary et Whipple, tandis qu'au pôle Sud, le cratère Shackleton et deux régions sur Connecting Ridge. Le pourcentage correspondant varie d'environ 70 % à 83 %. Le temps maximum dans l'ombre varie plutôt de près de 100 heures à 335 heures. Ces valeurs sont moins optimistes selon Speyerer et Robinson98, qui ont cependant analysé une année.La NASA36 a sélectionné les 13 sites suivants au pôle Sud comme candidats à un atterrissage lunaire Artemis III : Faustini Rim A, Peak Near Shackleton, Connecting Ridge, Connecting Ridge Extension, de Gerlache Rim 1, de Gerlache Rim 2, de Gerlache-Kocher Massif, Haworth, Malapert Massif, Leibnitz Beta Plateau, Nobile Rim 1, Nobile Rim 2 et Amundsen Rim. Le choix a été motivé par le fait qu'ils peuvent assurer un accès continu à la lumière du soleil pendant 6,5 jours.

Le projet SAILOR Moon est une étude sur un module de service pour la désinfection de l'air recirculé, par rayonnement UVC solaire, à l'intérieur des futurs modules habitables lunaires. Comme expliqué dans la section précédente, les pôles lunaires sont les emplacements les plus favorables dans l'espace en raison de l'irradiation solaire prolongée unique et de la portée limitée de la position apparente du Soleil autour de l'horizon. Nous présentons deux concentrateurs de lumière UVC solaires possibles, qui produisent la source germicide pour l'air à l'intérieur des modules habitables. Nous avons considéré deux capteurs solaires : (i) un suiveur solaire, qui peut être monté sur un mécanisme de suivi classique ; (ii) un collecteur statique. En conséquence de la section précédente, la légère inclinaison de l'axe de la Lune et le positionnement d'éventuels sites d'atterrissage à proximité des pôles limitent la position apparente du Soleil à ± 2\(^\circ \) autour de l'horizon, selon l'angle zénithal. Compte tenu de la taille angulaire du Soleil (\(\approx \) 30 arcmin) et de certaines contingences, nous avons considéré que les collecteurs de lumière solaire décrits ci-dessous sont capables de collecter la lumière dans une plage de ± 3,5\(^\circ \) autour de l'horizon , pour être conservateur (c'est-à-dire précision de pointage).

Au moment de la rédaction, aucune exigence concernant le flux d'air ou la taille des conduits d'air n'existe pour les habitats lunaires. Les seules données disponibles se réfèrent à l'ISS99, concernant le flux d'air de l'air de recirculation (460 \(\mathrm{m^3}/\textrm{h}\)) et le diamètre du conduit d'air (14 cm). Ces deux grandeurs ont été utilisées comme paramètres de simulation. Les autres paramètres, listés dans le tableau 1, ont été choisis arbitrairement mais sont considérés comme raisonnables. Quoi qu'il en soit, les résultats d'efficacité, présentés dans la section "Résultats et discussions", peuvent soit être mis à l'échelle linéairement (avec la zone de collecte, par exemple), soit donner des indications sur la tendance de l'efficacité avec des variations de paramètres.

La solution optique la plus simple pour un concentrateur de lumière efficace d'une source mobile est un petit concentrateur de champ de vision (FoV) avec un mécanisme de suivi. La conception présentée sur la figure 2 représente un exemple possible de configuration optique sans prétendre être la solution la plus efficace. D'autres conceptions seraient envisagées en cas d'investigation pour la mise en place effective du dispositif.

Conception proposée pour un éventuel concentrateur de suivi du Soleil : télescope de type Ritchey-Chretien. Un miroir plat tertiaire derrière l'ouverture du télescope compense les variations d'angle zénithal et maintient le plan focal fixé sur la fenêtre en quartz du conduit d'air.

Le concentrateur présenté est un télescope à deux miroirs de type Ritchey-Chretien avec un FoV de 1\(^\circ \) (le diamètre apparent du Soleil est d'environ 0,5\(^\circ \)). La monture du télescope présente des similitudes avec les montures du radiotélescope puisque l'objectif principal est la concentration de la lumière, et non la qualité optique sur le plan focal. La seule exigence serait que la position, la taille et la forme de l'image du Soleil traversent une fenêtre en quartz, soient transparentes à toute la gamme UV100 et deviennent la source de désinfection de l'air à l'intérieur du conduit d'air. Deux rotateurs motorisés suivent le mouvement apparent du Soleil. La plage de rotation de l'angle zénithal est supposée être de ± 3,5\(^\circ \) autour de l'horizon, permettant à un miroir tertiaire rotatif plat (M3) de compenser le décalage du plan focal dû à la variation de l'angle de déclinaison pour fournir l'image du Soleil en la même position au-dessus de la fenêtre de quartz. Le mécanisme de compensation M3 pourrait être un simple système de levier à pantographe. Le taux de variation des angles d'azimut et de zénith est suffisamment lent pour ne pas être considéré comme un problème pour le suivi du Soleil (moins de 0,5 \(\mathrm{deg/h}\)). Un simple capteur solaire serait suffisant pour maintenir la source à l'intérieur du télescope FoV, et un mécanisme de suivi étagé simplifierait le système concernant le contrôle du rapport cyclique. Des dispositifs de pointage encore plus précis ne seraient pas un problème si l'objectif du concentrateur était de fournir un plan focal de meilleure qualité optique. Une image du Soleil plus stable permettrait le couplage d'un faisceau de fibres optiques et le transport de la lumière UV à des distances plus éloignées du concentrateur, dans le cas où les conduits d'air seraient éloignés du concentrateur ou pour différentes applications (eau ou désinfection de surface). Cette option va au-delà de l'objectif du document et n'a pas été étudiée en détail. Les miroirs du télescope sont considérés comme ayant une réflectivité R élevée. Un matériau possible pourrait être Alanod MIRO UV C101, ayant \(R>0,9\) sur la gamme UVC et à des longueurs d'onde UV plus longues, avec une surface lisse pour éviter la lumière diffusée. Une autre solution plus onéreuse est le dépôt d'un revêtement multicouche optimisé pour les UVC.

La particularité des pôles lunaires concernant la position apparente du Soleil rend possible l'utilisation d'un concentrateur statique, capable de collecter le rayonnement solaire pendant toute la période d'exposition, grâce au déplacement angulaire zénithal réduit de la position du Soleil.

Les deux images de la Fig. 3 montrent la conception conceptuelle d'un concentrateur annulaire. La lumière du soleil pénètre à l'intérieur du conduit d'air de couleur rouge à travers la fenêtre en quartz, qui a également une forme annulaire. Les sections d'entrée et de sortie du conduit d'air sont dirigées vers le bas puisque le concentrateur est censé être placé au-dessus des modules habitables pour éviter l'ombrage. La lumière à l'intérieur du conduit d'air subit de multiples réflexions jusqu'à ce qu'elle soit absorbée par les surfaces internes ou qu'elle sorte du conduit par la fenêtre. Les simulations de lancer de rayons effectuées à l'aide de Zemax OpticStudio® (voir la section "Simulations optiques" ci-dessous) montrent que plus de la moitié du volume interne du conduit est rempli de lumière UVC solaire. Le concentrateur statique a le profil externe d'un concentrateur parabolique composé (CPC)102, un concentrateur de lumière de type sans imagerie largement utilisé pour le chauffage de l'eau et la production d'électricité. Tous les rayons lumineux entrant dans l'ouverture d'entrée du CPC avec un angle inférieur à l'angle d'acceptation \(\theta \) sont réfléchis par les surfaces paraboliques à l'intérieur de la zone d'ouverture de sortie (Fig. 4). Les dimensions de l'appareil, répertoriées dans le tableau 1, peuvent être facilement dérivées en utilisant le "principe des rayons de bord" appliqué à la conception CPC, décrite dans Tian et al.103. Au niveau de l'ouverture de sortie CPC annulaire, une coque cylindrique en quartz agit comme une fenêtre d'entrée pour le rayonnement UVC solaire vers le filtre UVC annulaire. Si l'emplacement de l'avant-poste était précisément au pôle lunaire, le concentrateur annulaire aurait son axe de symétrie horizontal. Les deux paraboles pourraient avoir des axes avec des angles d'acceptation différents pour intercepter tous les rayons du soleil en fonction de l'emplacement exact de l'avant-poste.

Conceptions esquissées du concentrateur parabolique composé annulaire pour la concentration de la lumière solaire UVC : vues de côté et de dessus. L'image du concentrateur de suivi de Sun en haut à gauche a pour but de montrer visuellement l'échelle des deux systèmes. Les deux tailles de configuration ont été choisies pour fournir une fluence globale similaire, comme indiqué dans le tableau 2.

Le profil externe du concentrateur parabolique composé annulaire. Les paramètres se réfèrent au côté supérieur. Le côté inférieur aurait les mêmes valeurs de paramètre dans le cas d'un angle d'acceptation symétrique entre les deux côtés. Les valeurs des paramètres sont répertoriées dans le tableau 1.

SAILOR Moon vise à maximiser l'efficacité germicide du rayonnement solaire UVC à l'intérieur des conduits d'air. La quantité à maximiser est la Fluence (F), également appelée dose UV, qui est définie comme l'énergie rayonnante totale de toutes les directions passant à travers une sphère infiniment petite de section transversale \(\delta \)A, divisée par \( \delta \)A, avec des unités typiques de \(\textrm{mJ}/\mathrm{cm^2}\). La fluence est égale à l'irradiance ou au taux de fluence (FR), avec des unités standard de \(\textrm{mW}/\mathrm{cm^2}\), multiplié par le temps de séjour t des agents pathogènes à l'intérieur d'un volume unitaire. Le concept de filtre UVC repose sur le grossissement FR à l'intérieur d'une section du volume interne du conduit d'air en raison des réflexions multiples des rayons lumineux, grâce à la mise en œuvre de matériaux hautement réfléchissants pour recouvrir les surfaces internes du conduit. Les matériaux possibles pourraient être Alanod avec un substrat grossier101, qui a R > 0,9, ou le polytétrafluoroéthylène (PTFE)104, qui aurait un R = 0,95 à 275 nm et une distribution de diffusion lambertienne (tous les rayons incidents sont diffusés avec une probabilité égale n'importe où dans le demi-cercle unitaire indépendamment de l'angle d'incidence). Comme décrit dans Lombini et al.105, une diffusion lambertienne des surfaces internes produit la distribution FR à l'intérieur du volume à lisser et à rendre plus uniforme. Une autre stratégie pour augmenter l'efficacité germicide du conduit est d'agir sur le temps de séjour des pathogènes. Ceci est possible en optimisant la géométrie du conduit. Pour les deux types de concentrateurs proposés, la zone d'irradiation a une section doublée par rapport au diamètre de la section des conduits d'entrée et de sortie, réduisant la vitesse de l'air dans le filtre et augmentant par conséquent le temps de séjour de l'air t106. Les autres côtés du conduit d'air sont censés avoir les côtés internes recouverts d'un matériau UV peu réfléchissant, même si une section plus longue et hautement réfléchissante augmenterait l'efficacité d'inactivation. L'exposition directe à la lumière UVC des ouvertures des conduits doit être évitée en raison de ses effets nocifs sur les humains107,108. Pour cette raison, nous avons considéré une portion de conduit limitée recouverte d'un matériau réfléchissant, ce qui réduit la possibilité de fuites de lumière. Une longueur de filtre UVC optimisée sera prise en compte pour des cas d'application spécifiques. La section "Résultats et discussions" traite brièvement des performances du système lors de la variation de certains paramètres CPC.

Nous avons estimé la dose d'UVC attendue délivrée aux agents pathogènes circulant à l'intérieur des conduits, en combinant des simulations numériques de dynamique des fluides (CFD) des trajectoires et des vitesses des particules, pour estimer le temps de séjour local t et la FR volumétrique attendue à l'intérieur du filtre UVC produit. par le rayonnement solaire. L'inactivation des agents pathogènes est fonction de l'énergie UV totale absorbée. Un modèle simplifié17 est la relation exponentielle :

où e est la constante de Napier, S est la fraction de survie des micro-organismes après avoir été exposés à la lumière UVC et k est la constante de vitesse spécifique unique à chaque type de micro-organisme (\(\mathrm{cm^2}/\textrm{mJ}\ )). Les sections suivantes décrivent plus en détail les simulations effectuées et les paramètres considérés.

Le tableau 1 liste les principaux paramètres utilisés pour les simulations. L'irradiance solaire UVC considérée fait référence à la bande passante entre 240 et 280 nm, tandis que le flux d'air à l'intérieur des conduits de recirculation est supposé être de 230 \(\mathrm{m^3}/\textrm{h}\) ou 460 \(\ mathrm{m^3}/\textrm{h}\) (le dernier est la valeur de référence ISS). Concernant le concentrateur de suivi du Soleil, nous avons considéré \(R = 0.9\) pour chacun des trois miroirs du télescope et l'obscurcissement de 30% du miroir primaire de 1 m de diamètre dû au miroir secondaire. La lumière solaire UVC est donc une source de 2 W. Le télescope F/6 produit une image du Soleil de 5 cm. Les sections d'irradiation ont un diamètre doublé par rapport au diamètre des conduits d'entrée et de sortie (28 cm contre 14 cm - voir la description de la section "Conduits d'air" ci-dessus). La conception du concentrateur de poursuite du Soleil a été couplée à un filtre UVC ayant une forme cylindrique de 1 m de long. La réflectivité interne du filtre a été simulée comme étant \(R = 0, 0,9, 0,95, 0,99\), tandis que les autres sections de conduit d'air sont censées être recouvertes d'un matériau absorbant les UVC. Le concentrateur statique a un diamètre de 3 m et la puissance collectée, c'est-à-dire la lumière entrant dans le conduit d'air à travers la fenêtre en quartz, est de 4,5 W. Le filtre UVC annulaire a une section carrée de 28 cm de large et les trois mêmes valeurs de réflectivité interne que pour l'autre configuration. Ces paramètres ont été affinés lors des simulations pour avoir une performance de désinfection raisonnable et être utilisés comme point de départ pour de futures implémentations.

Étant donné que les agents pathogènes devraient être transportés par les gouttelettes libérées par les astronautes lors de la respiration / de la toux, des simulations CFD ont été conçues pour décrire le mouvement des gouttelettes à l'intérieur des conduits d'air des deux configurations SAILOR Moon. L'objectif était de prédire l'exposition des gouttelettes au rayonnement UV, à combiner avec le taux de Fluence attendu à partir des simulations optiques, et donc la Fluence.

Des simulations ont été réalisées à l'aide du logiciel commercial Ansys Fluent® (v18.1), en considérant des conditions raisonnables pour un environnement humain habitable, c'est-à-dire de l'air en tant que gaz, une pression ambiante de 1 atm, une température ambiante de 25 \(^\circ \ ) \(C\). La gravité a été définie sur la valeur lunaire (1,62 \(\textrm{m}/\mathrm{s^2}\)) ; cependant, nous avons effectué des simulations dans différentes conditions de gravité (Terre, Lune, pas de gravité), ce qui n'a pas modifié la dynamique des gouttelettes. Les conditions initiales des parcours ont été fixées en termes de débit volumique, suivant les valeurs rapportées dans le tableau 1. Une condition aux limites de vitesse d'entrée a été fixée à la section d'entrée du conduit, avec la vitesse de vent appropriée, pour reproduire la demande demandée. débit. Les simulations ont considéré un écoulement turbulent, car les conditions de fonctionnement conduisent à un nombre de Reynolds (Re) supérieur à 40 000 pour tous les cas simulés (le début de la turbulence est classiquement compris entre 2 000 et 5 000 Re). Pour cette raison, le modèle réalisable \(k-\epsilon \) a été utilisé. Les gouttelettes ont été simulées sous forme de phases discrètes et suivies grâce aux outils de suivi des particules fournis par Fluent. Ils ont été considérés comme sphériques, constitués d'eau liquide et d'une taille comprise entre 0,5 et 25 \({\upmu }\textrm{m}\) (de diamètre), suivant la taille attendue des bioaérosols109,110. Dans cette gamme, les particules peuvent se comporter différemment selon leur taille et leur vitesse. Le comportement différent peut être prédit grâce au nombre de Stokes (Stk), un nombre sans dimension caractérisant le comportement des particules en suspension dans un écoulement de fluide dépendant de plusieurs paramètres, dont la vitesse et le diamètre des gouttelettes. Pour la plupart des cas simulés, \(Stk < 1\) indique que les gouttelettes ont tendance à suivre les lignes de courant du fluide ; cependant, les grains plus gros dans l'intervalle considéré ont \(Stk > 1\) dans certaines simulations, montrant la tendance à se séparer de l'écoulement primaire du fluide. En raison des vitesses lentes supposées, les particules de différentes tailles ont montré très peu de différence dans la vitesse et le comportement à l'intérieur du conduit, ce qui rend le résultat indépendant de leur taille.

Les géométries considérées sont un conduit cylindrique dans le cas du concentrateur suiveur du Soleil et un conduit annulaire de section carrée dans le cas du concentrateur statique. Les volumes simulés ont été discrétisés en mailles fines de ~1e\(+\)6 éléments, en considérant les diamètres externes du filtre UVC de 3 m et la taille du filtre de 28 cm (voir Tableau 1). Les figures 5 et 6 montrent des exemples de trajectoires de gouttelettes simulées pour les deux cas de géométrie. Les résultats des simulations CFD peuvent être considérés comme assez précis dans les limites de la configuration du modèle. Toutes les exécutions CFD ont convergé vers les valeurs souhaitées des résidus (sous 1e−4/1e−6, selon l'équation). Le modèle a été établi suite à une analyse préliminaire du phénomène à modéliser, d'où une détermination "a priori" des nombres de Reynolds et Knudsen pour l'écoulement et des nombres de Reynolds et Stokes pour les gouttelettes suivies.

Trajectoires de quelques particules à l'intérieur du conduit d'air cylindrique pour le flux de 230 \(\mathrm{m^3}/\textrm{h}\). L'augmentation du diamètre produit un ralentissement de la vitesse des particules dans la deuxième partie de la section agrandie et une trajectoire turbulente de certaines particules. Ce chiffre est représentatif à la fois des flux d'air considérés et de la taille des particules. La taille de la figure n'est pas à l'échelle à des fins de visualisation.

Trajectoires de quelques particules à l'intérieur du conduit d'air annulaire pour le flux de 230 \(\mathrm{m^3}/\textrm{h}\). Les particules provenant du plus petit conduit d'air subissent un certain écoulement turbulent lorsqu'elles pénètrent dans le plus grand conduit annulaire. Aux écoulements considérés, les trajectoires des particules reviennent à un régime laminaire. Cette figure représente les flux d'air considérés et la taille des particules.

Les simulations optiques ont été réalisées avec Zemax OpticStudio®. Les rayons du soleil ont été émis par une source avec une irradiance moyenne de 0,5 \(\textrm{mW}/\mathrm{cm^2}\). La position optimale de la fenêtre en quartz, par laquelle la lumière UVC solaire pénètre dans le conduit, correspond à la partie du conduit où la vitesse de l'air est la plus faible (Fig. 5). Les rayons provenant du Soleil ont été réfléchis, réfractés ou absorbés par les éléments optiques jusqu'à ce que la puissance des rayons tombe en dessous d'un seuil donné (\(1/10^{6}\) la puissance initiale) ou sorte du système optique. Les surfaces internes des conduits ont reçu une diffusion lambertienne avec une réflectivité différente pour souligner l'importance d'une valeur élevée de R. Le FR à l'intérieur des filtres a été évalué par un détecteur volumétrique, un réseau tridimensionnel formé de voxels cubiques, chacun de 1 \(\mathrm{cm^3}\), pour échantillonner correctement les variations spatiales FR. La figure 7 montre comment les rayons sont réfléchis à l'intérieur du filtre (lignes bleues) et l'un des détecteurs volumétriques le long de la section longitudinale (100 \(\times \) 28 \(\times \) 1 voxel) pour mettre en évidence la distribution FR . Le détecteur est codé par couleur pour mettre en évidence la distribution FR le long de la section horizontale du conduit, la couleur rouge indiquant une fluence locale plus élevée. Malgré la diffusion lambertienne, un FR plus élevé est situé plus près de la source UVC. Le fait que le flux UVC maximal se situe là où la vitesse de l'air est plus faible (Figs. 5 et 7) améliore l'efficacité de la désinfection. Les résultats de la simulation, en termes de taux de fluence à l'intérieur du filtre UVC, peuvent être supposés avec une incertitude inférieure à quelques pour cent. Un échantillonnage adéquat du débit de fluence à l'intérieur du filtre dû à la distribution de diffusion a été garanti par un nombre suffisamment élevé de rayons de départ de la source105. Les paramètres optiques des composants du filtre UVC, tels que la transmissivité du quartz et la réflectivité du PTFE, ont été extraits de fiches techniques, qui sont considérées comme de bonnes valeurs de référence.

Filtre UVC cylindrique. L'image montre comment les rayons lumineux sont réfléchis et diffusés par la surface interne. Le plan coloré est l'un des détecteurs volumétriques utilisé pour calculer le débit de fluence à l'intérieur du filtre.

Les simulations CFD et optiques ont été combinées pour obtenir la fluence à l'intérieur du filtre UVC pour les différents paramètres répertoriés dans le tableau 1. Les hypothèses suivantes ont été prises en compte :

chaque chemin de particules à l'intérieur du filtre a été considéré indépendamment. La vitesse locale de la particule a été transformée en un temps de séjour à l'intérieur d'une cellule de volume unitaire (1 \(\mathrm{cm^3}\)) ;

le temps de séjour t a été multiplié par le Débit de Fluence local \(FR_L\), pour obtenir la Fluence délivrée localement \(F_L\) dans chaque cellule (Fig. 8a) ; la Fluence totale délivrée à la particule \(F_P\) est la somme de la Fluence locale le long de la trajectoire de la particule (Figure 8b) ;

le F global à utiliser dans les calculs de la fraction de survie dépendant de l'agent pathogène indiqués dans l'Eq. 1 est la valeur moyenne de toutes les particules \(F_P\).

La figure 8a montre la fluence délivrée localement dans chaque cellule de volume unitaire \(F_L\) le long du trajet d'un échantillon de petites particules. Il est clair qu'en correspondance de la source UVC, où la vitesse des particules est faible, la Fluence locale délivrée est plus élevée, alors qu'elle est plus faible à l'entrée et à la sortie de la cavité optique, où les particules sont plus rapides et la FR plus faible. De même, la particule totale délivrée Fluence \(F_P\) augmente rapidement en correspondance avec la région à basse vitesse jusqu'à des valeurs de l'ordre de celles rapportées dans le tableau 2. La figure 8b montre la particule totale délivrée Fluence \(F_P \), assez homogène pour les différentes particules à la région de sortie du filtre, ce qui rend raisonnable de considérer la valeur moyenne comme une bonne estimation du F global.

(a) Trajectoires des mêmes particules de la Fig. 5, à l'intérieur du conduit d'air cylindrique pour le flux de 230 \(\mathrm{m^{3}}/\textrm{h}\). Dans la deuxième partie du filtre, la vitesse réduite des particules et le taux de fluence plus élevé dans la même région (Fig. 7) produisent une augmentation de la fluence locale. (b) Fluence intégrée pour les mêmes particules que la figure supérieure. Les tailles des deux figures ne sont pas à l'échelle à des fins de visualisation.

Le tableau 2 répertorie le F délivré attendu pour les deux types de concentrateurs et les différentes valeurs de paramètres utilisées dans les simulations. Il est évident qu'une réflectivité interne élevée du conduit d'air produit une augmentation de l'efficacité des systèmes de concentrateur de lumière solaire considérés. Cela devrait être le paramètre crucial pour la R & D compte tenu de la mise en œuvre possible du système. Les simulations CFD montrent que la taille des agents pathogènes produit une différence presque négligeable dans le résultat en raison de la vitesse relativement élevée de l'air à l'intérieur du filtre. Ainsi, la valeur principale pour les différents cas de taille a été rapportée.

Une optimisation supplémentaire des paramètres en fonction des exigences du système peut augmenter l'efficacité de l'appareil. Cependant, cette opération nécessiterait des compromis sur les exigences, telles que la masse de l'appareil. Concernant le concentrateur de suivi du soleil, même une taille relativement petite du miroir primaire (1 m), combinée à un filtre UVC hautement réfléchissant, pourrait fournir une fluence élevée, suffisante pour une inactivation efficace des agents pathogènes en suspension dans l'air. Le concentrateur nécessite un système de suivi, qui peut être très simple grâce à la faible vitesse apparente du Soleil (même un système de suivi étagé pourrait être utilisé). Cependant, il faudrait tout de même un peu de perspicacité pour éviter la contamination de la poudre lunaire (Régolithe). Un miroir primaire plus grand ou une fraction d'obscurcissement plus petite (ou pas d'obscurcissement dans le cas d'un télescope hors axe) augmenterait la fluence délivrée linéairement avec l'augmentation de la zone de collecte. La réflectivité du miroir représente un autre exemple. Même si cette valeur est déjà élevée, un R plus élevé augmentera F de quelques pour cent. L'augmentation de la réflectivité de la surface interne du conduit d'air contribuerait beaucoup plus. Il pourrait être utile d'augmenter l'efficacité de la réflectance avec un revêtement approprié en limitant la plage spectrale de fonctionnement du système aux UV. Par exemple, \(R=0,99\) augmenterait le F délivré d'un facteur 2 par rapport au cas \(R=0,95\). Il a été démontré que les miroirs multicouches constitués d'un empilement de couches minces de HfO\(_2\) et de SiO\(_2\) atteignent \(R=0,99\) à 250 nm111,112. Peu de matériaux sont adaptés pour optimiser le revêtement dans la gamme spectrale choisie. Leur technologie de dépôt et leur stabilité dans l'environnement spatial dans le temps représentent encore un défi technologique113, un projet de développement spécifique doit donc être mené. D'autres modifications de la géométrie du filtre UVC, telles que la longueur, le diamètre et la forme, entraîneraient également une augmentation des performances grâce à l'augmentation de la turbulence et donc du temps de séjour dans l'air. Concernant le concentrateur statique, l'augmentation du diamètre de l'anneau ou de l'ouverture de sortie (Fig. 4) est proportionnelle à l'augmentation de la taille du collecteur (diamètre de l'anneau, ouverture d'entrée, longueur). Des considérations appropriées sur la masse et la taille globales entreraient en jeu. D'autres compromis possibles pourraient concerner des conceptions CPC alternatives avec une meilleure efficacité de collecte de la lumière114,115. Le tableau 3 indique les doses pour une valeur de réduction \(D_{90}\) (90 % ou Log1) pour certains agents pathogènes en suspension dans l'air. Les valeurs doivent être comparées au F délivré attendu de SAILOR Moon, répertorié dans le tableau 2. Le système fournirait, pour les virus, une dose suffisante pour une réduction de \(D_{90}\) ou même plus. Pour certaines bactéries ou champignons, moins sensibles à l'exposition à la lumière UVC, certaines configurations délivreraient une dose d'UVC ne permettant pas un taux d'inactivation \(D_{90}\) complet, ce qui pourrait être nécessaire pour une permanence saine des astronautes à l'intérieur du modules habitables. Quoi qu'il en soit, il faut considérer que les avant-postes spatiaux auront un circuit fermé de recirculation d'air. A chaque cycle, la fraction de survie serait sur les restes du précédent et chuterait de façon exponentielle, cycle après cycle.

Il faut considérer que le but de cet article est de présenter à la communauté scientifique une idée, encore à un stade préliminaire. Certaines simplifications supposées dans la présente étude seront abordées dans les développements futurs. À cet égard, concernant la présence de micro-organismes aéroportés à l'intérieur des avant-postes lunaires, une considération importante concerne l'environnement de microgravité de l'ISS, où la dynamique de transmission pourrait se produire différemment que sur Terre.

Sur la Lune, la gravité est d'environ 1/6 de celle terrestre, et il reste à déterminer si les conditions seront plus similaires à la Terre ou à l'ISS.

De plus, dans les simulations, nous n'avons considéré que la bande UVC pour calculer le F délivré par le système. L'utilisation synergique des UVC avec des bandes UV de longueur d'onde plus longue, dont l'irradiance est plus élevée (Fig. 1), pourrait aider à augmenter encore plus le taux d'inactivation des agents pathogènes. , notamment pour les virus à ARN, comme le suggèrent certains travaux récents84,129. Des tests expérimentaux sur l'efficacité de l'inactivation des agents pathogènes en utilisant une bande passante plus large du spectre solaire à travers une lampe solaire sont prévus dans un futur proche.

Dans la modélisation de la dynamique des gouttelettes, certains aspects n'ont pas été pris en compte. Les gouttelettes n'ont pas été considérées comme chargées électriquement et la dynamique complexe des éclaboussures/rebondissements/coalescence des gouttelettes a été omise. On a émis l'hypothèse que des gouttelettes chargées auraient tendance à adhérer aux parois du filtre pour se décharger, comme cela se produit par exemple avec les poussières, elles aussi fortement affectées par les phénomènes électrostatiques. Dans ce cas, les gouttelettes seraient plus exposées au rayonnement que les gouttelettes déchargées. La coalescence entre gouttelettes a également été négligée, mais même cela conduirait à la formation de gouttes plus grosses, donc plus soumises à la force de gravité et par conséquent plus susceptibles de se déposer. Le dépôt implique certainement une exposition plus longue au rayonnement ultraviolet. Les gouttes ont été considérées comme ayant des collisions élastiques sur les parois sans éclaboussures. Cette hypothèse simplifie les simulations mais est aussi conservatrice puisqu'une goutte qui adhère au moins partiellement à la paroi après le phénomène de splashing est exposée plus longtemps au rayonnement, conduisant à un F reçu plus important. Cependant, malgré les simulations considérant une estimation plus simple des résultats d'un point de vue informatique, elles sont conservatrices en termes de performances.

Il faut considérer que les deux composants de SAILOR Moon, le concentrateur et le filtre UVC, feront partie d'un système plus complexe qui comprendra, au minimum, la ventilation de l'air et le filtrage des poussières. En particulier, la poussière lunaire, appelée régolithe, recouvre la surface lunaire130, et elle est composée de divers types de particules de différentes tailles, qui peuvent être soumises à une lévitation électrostatique produite par le rayonnement UV dur et X du soleil. La poussière se déposera sur les surfaces réfléchissantes du concentrateur, ce qui réduira l'efficacité du système. Un système d'agitation ou une capture électrostatique131 pourraient aider à atténuer ce problème. De plus, la poussière apportée à l'intérieur des modules habitables après les moonwalks sera un problème pour la santé des astronautes132,133. Des filtres à particules à haute efficacité (HEPA)134 ou des facilitateurs électrostatiques135 pourraient être placés avant SAILOR Moon pour effectuer le filtrage de la poussière. Au cours des prochaines étapes de ce projet, une évaluation de la fiabilité, de la disponibilité, de la maintenabilité et de la sécurité (RAMS) sera effectuée et ces problèmes devront être résolus.

Nous nous préparons aux vols spatiaux de plus longue durée nécessaires pour entrer dans l'ère de l'exploration planétaire en équipage, avec l'augmentation du nombre de "personnes" qui sont censées participer aux missions spatiales et l'augmentation du nombre et de la durée des missions spatiales à l'avenir. La purification de l'air et de l'eau recyclés sera l'objet d'études futures sur l'utilité du rayonnement UVC d'une source naturelle (solaire) dans des environnements complexes de microgravité où la recirculation de ces milieux doit nécessairement se produire pendant très longtemps avec le impossibilité absolue d'échange avec l'air primaire (eau).

Nous avons présenté le projet SAILOR Moon, une solution sûre, efficace et durable en vue de missions humaines prolongées sur la Lune. Il exploite la source UVC solaire naturelle et intarissable pour la désinfection de l'air des futurs modules habitables aux pôles lunaires. Ces emplacements semblent uniques en raison du mouvement apparent lent du Soleil et du pourcentage élevé d'exposition à la lumière solaire. Le projet est encore en phase préliminaire. L'objectif est de présenter à la communauté scientifique une alternative possible aux autres systèmes germicides. L'approche du concentrateur de suivi du soleil que nous avons présentée est un concentrateur de suivi FoV limité semblable à un télescope avec des exigences de qualité optique et de précision de pointage réduites puisque l'objectif est de concentrer la lumière et non de produire une image du Soleil. Le concentrateur statique ne nécessite aucune pièce mobile ni alimentation électrique pour collecter la lumière. Les simulations sur son efficacité montrent une bonne performance sur l'inactivation des pathogènes avec les paramètres choisis et pourraient augmenter avec l'optimisation du système. Les prochaines étapes seront une étude de faisabilité, le prototypage des concentrateurs optiques et des tests de performance d'inactivation des agents pathogènes sur des conduits d'air hautement réfléchissants pour valider les simulations. De plus, en collectant une bande de longueur d'onde différente, le concentrateur pourrait également trouver d'autres applications que l'UVGI. Par exemple, la lumière UVA pourrait stimuler certaines fonctions biologiques, telles que favoriser la croissance de cultures hydroponiques, la production de vitamine D ou simplement fournir de la lumière visible pour un éclairage interne naturel avec une utilisation réduite de vitres fragiles. Dans ce cas, les revêtements diélectriques multicouches pourraient être utilisés pour optimiser le système pour une efficacité élevée dans ces plages spectrales. Dans les cas d'absence d'illumination solaire, à la fois sur la Lune et pour différents environnements tels que les engins spatiaux ou les avant-postes de Mars, le concept des conduits hautement réfléchissants pourrait être utilisé pour la désinfection de l'air avec des sources UVC artificielles, comme cela se fait sur Terre.

Les ensembles de données générés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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ML a rédigé les versions originales, révisé et édité le manuscrit, RA, MEC et CP ont rédigé la section microbiologie, EMA a rédigé la partie sur l'irradiation solaire, LS, G.Mo. et VDC ont effectué les simulations, examiné et édité le manuscrit, LL, AM, AB, MGP et MF ont contribué à la méthodologie et discuté des données, PA, G.Ma., FC, ED et GP ont contribué à la recherche et édité le manuscrit . Tous les auteurs ont lu et approuvé le manuscrit.

Correspondance à Matteo Lombini.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

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Reçu : 25 novembre 2022

Accepté : 18 mai 2023

Publié: 23 mai 2023

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

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