El Dr. en Física Daniel Malacara escribe en exclusiva para iLumileds acerca de la eficiencia de la Luz UVC y Ozono para combatir virus y bacterias incluyendo el SARS

ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Como es bien conocido, las ondas electromagnéticas tienen dos posibles manifestaciones, como onda, produciendo todos los fenómenos propios de las ondas, como la difracción, y la interferencia. Las principales características de estas ondas son la frecuencia (número de oscilaciones por segundo) que se mide en Hertz y la longitud de onda (distancia entre dos máximos o mínimos de la oscilación a lo largo de su trayectoria). Hay una gran variedad de ondas electromagnéticas, con propiedades y características tan diversas que se pensaba que eran ondas de muy diferente naturaleza. Fue el gran genio de James Clerk Maxwell, científico escocés que en 1865 publicó un trabajo monumental en la física que unificaba los conocimientos a la fecha del magnetismo, la electricidad y la luz. La conclusión, que se resumía en cuatro ecuaciones conocidas como las cuatro ecuaciones de Maxwell postulaba que todas la ondas electromagnéticas podían viajar en el vacío sin necesidad del llamado éter y con la misma velocidad c igual a 300,000 kilómetros por segundo. La velocidad de propagación c, la longitud de onda λ y la frecuencia ν están relacionadas entre sí por la relación matemática:

λν=c

Los resultados fueron tan buenos que se llegó a pensar que la física de las ondas electromagnéticas había llegado a la cumbre y ya no era necesario ni posible un avance más. Pero no era así. La figura 1 muestra como una onda electromagnética está formada por un campo eléctrico y un campo magnético, ambos oscilatorios y mutuamente perpendiculares.
 

Figura 1. Campos eléctrico y magnético en una onda electromagnética.

Sorpresivamente, Max Planck, alrededor de 1915 y el físico francés Louis de Broglie en 1924 llegaron de manera independiente y por diferentes caminos a la conclusión de que todas las ondas electromagnéticas están formadas por energía, pero separada en fragmentos o paquetes que no se pueden dividir más. En cierto modo, las ondas se manifestaban en la naturaleza en muchos experimentos, no como si fueran ondas, sino como si fueran un flujo de partículas, a las que llamaron fotones. Lo importante fue darse cuenta que en algunos experimentos las llamadas ondas electromagnéticas parecían efectivamente ondas, pero en otros experimentos parecían partículas, es decir un chorro de fotones. Esto dio lugar a la ciencia que ahora conocemos como mecánica cuántica. El tamaño energético (no físico) de cada fotón es diferente para cada onda de diferente longitud de onda (o frecuencia), según la expresión:

donde E es la energía de cada fotón, medida en electrón-volts, ν es la frecuencia de la onda, λ es la longitud de onda en micras y h es una constante universal llamada constante de Planck.

La siguiente Tabla nos da una lista de algunas de las ondas electromagnéticas que existen:

Tabla 1. Ondas Electromagnéticas.

Como vemos en esta tabla, las ondas de radio y micro-ondas tienen una longitud de onda relativamente larga, así que solamente se pueden recibir con una antena de longitud cercana a la longitud de onda, la cual es tan grande que solamente antenas metálicas de varios centímetros o hasta metros pueden ser usadas. Cuando la longitud de onda es del tamaño de los conos o bastoncillos en la retina del ojo (más o menos media micra, o lo que es lo mismo 500 nm), estas ondas se perciben como luz y produce las imágenes en el ojo. El infrarrojo tiene una longitud de onda muy cercana, un poquito más larga que la de la luz visible, por eso ya no la vemos. Sin embargo, las moléculas del agua son más o menos del mismo tamaño que la longitud de onda, por ello, las moléculas vibran en resonancia con la excitación producida por la onda infrarroja, calentando el material. Por razones similares, descubiertas por Planck, los cuerpos calientes emiten ondas infrarrojas. Midiendo cuanta radiación infrarroja emite un cuerpo caliente podemos determinar su temperatura. Esta es la base del funcionamiento de los termómetros infrarrojos.

Todas estas ondas electromagnéticas de longitud de onda larga como la ondas de radio, las micro-ondas, las infrarrojas y la luz visible están formadas por fotones de relativamente poca energía y por ello no causan daño a la piel, ni a ningún ser viviente, tanto menos cuanto menor sea su longitud de onda. Se ha llegado a decir, de manera absolutamente falsa que las micro-ondas incluso las de los teléfonos celulares, y las líneas de alto voltaje pueden dañar el cerebro y producir cáncer. Como podrían fotones de tan baja energía alterar la estructura del material genético? Imposible! Lo que si es cierto es que esta energía se transfiere a las moléculas produciendo vibraciones y calentamiento. Pero jamás interactuaría con el ADN.

EL OZONO Y LA LUZ ULTRAVIOLETA

Los fotones de las ondas ultravioleta, llamada también luz ultravioleta, tienen una energía un poco mayor y por su alta energía podrían causar un daño al ADN de un ser vivo iluminado por ella. El sol tiene un espectro tan amplio que emite junto con la luz visible y el infrarrojo, mucho ultravioleta que puede dañar de muchas maneras al ser humano, con quemaduras y hasta cáncer de la piel. Afortunadamente las capas superiores de la atmósfera tienen una capa de ozono que impide el paso de la luz ultravioleta a la superficie terrestre. El ozono es un gas cuya molécula está formada por tres átomos de oxígeno (O₃) y se encuentra de forma natural en la estratosfera, en la llamada capa de ozono. El ozono se forma ahí por acción de la luz ultravioleta del Sol, y de tormentas eléctricas, que disocian las moléculas de oxígeno molecular (O₂) en dos átomos, los cuales reaccionan con otra molécula de O₂ formándose el ozono.

La luz ultravioleta con longitud de onda menor de 290 nm (UVC) que llega del Sol a la tierra interactúa con la capa de ozono   y hace que se desprenda un átomo de oxígeno de la molécula de ozono, formando oxígeno. En este proceso dinámico en el que se forma y se destruye ozono de manera continua, se impide el paso de la luz UVC a la superficie terrestre. Así, el ozono actúa como un filtro que no deja pasar dicha radiación perjudicial hasta la superficie de la Tierra.

En conclusión, la radiación ultravioleta que llega a la Tierra desde el Sol lo hace en las formas UVA, UVB y UVC; La radiación UVC no llega a la superficie al ser absorbida por el oxígeno y el ozono de la atmósfera; la radiación UVB es parcialmente absorbida por el ozono y solo llega a la superficie de la tierra en un porcentaje mínimo, por lo que la radiación que llega es principalmente es la de tipo UVA.

LÁMPARAS INCANDESCENTES, FLUORESCENTES Y DE LED

Existen lámparas que producen luz visible, infrarrojo y ultravioleta, de muy diversos tipos. La más antigua es la incandescente, cuyo espectro se muestra en la Fig. 2. Está formada por un filamento muy delgado de un metal llamado tungsteno por el que se hace pasar una corriente eléctrica que produce un calentamiento muy fuerte para ponerlo en incandescencia. Esta lámpara comenzó su vida en 1880 gracias a los trabajos de Thomas Alva Edison y sus predecesores. La luz que emite es la que produciría el llamado “cuerpo negro” que estudió Max Planck, donde predomina mucho la radiación infrarroja. Esta es la razón por la cual se dice que estas lámparas son muy ineficientes, ya que la energía eléctrica que se invierte en calentar el filamento produce más calor (infrarrojo) que luz visible.

Figura 2. Espectro de la luz emitida por el sol y por un lámpara incandescente.

La luz solar, al igual que la de las lámparas incandescentes, es de un espectro continuo, pero su color es muy diferente debido a que la temperatura del Sol es mucho más alta.

Con los años, casi un siglo después, en 1980 se desarrolló otra lámpara un poco más eficiente a base de vapor de mercurio que se calienta con una corriente eléctrica hasta hacerlo incandescente. Estas lámparas ya se venían usando para otros propósitos en laboratorios o en los llamados anuncios luminosos de neón, porque no únicamente se producen con vapor de mercurio, sino también con otro tipo de gas a relativamente baja presión, como el neón, el argón, el hidrógeno, etc. Cada uno de estos gases o vapores metálicos produce un color diferente. El espectro de emisión es característico de cada gas o vapor, como vemos en la Figura 3.

Figura 3. Espectro de la luz emitida por una lámpara fluorescente.

La desventaja de estas lámparas es que su luz, al contrario de la incandescente, dista mucho de ser aunque sea un poco parecida al blanco y emite mucho ultravioleta que de cualquier manera no se puede usar, porque el vidrio donde está contenido el gas no le permite salir. La solución fue usar el efecto llamado de fluorescencia, cubriendo la pared interna del vidrio donde está el gas encendido con un polvo que tiene esta propiedad de la fluorescencia. Esta consiste en que si se ilumina este polvo con luz ultravioleta, la absorbe y luego la devuelve al exterior en forma de luz blanca, con un espectro continuo. Con esta invención en 1926, de Edmund Germer, Friedrich Meyer y Hans Spanner se comenzaron a producir las lámparas fluorescentes, con la gran ventaja de que su eficiencia energética era mucho mayor que la de los focos incandescentes. Por ello se usaron extensivamente en áreas comerciales o industriales. En los hogares se usaron muy poco por su costo mayor al de las lámparas incandescentes, en ocasiones por su color poco agradable, pero principalmente por su mayor tamaño y su instalación más complicada. Investigaciones posteriores permitieron construir alrededor de 1980 lámparas fluorescentes de tamaño pequeño, comparable al de la lámpara incandescente, de mucho menor costo, de fácil instalación y de luz de color más agradable. Estas son las llamadas lámparas ahorradoras que iluminaban con una producción casi ausente de luz infrarroja. El problema de estas lámparas fluorescentes, al igual que las anteriores, largas, es que si por accidente se rompían, el mercurio y el polvo fluorescente son altamente contaminantes.

Figura 4. Espectro de LEDs blancos.

El LED (del inglés: Light Emitting Diode) está formado por dos semiconductores en contacto, uno de tipo p y otro de tipo n. Aplicando un voltaje a esa unión, los electrones que circulan se recombinan con los huecos en la región de la superficie de contacto del dispositivo, emitiendo así luz con la energía producida en la recombinación. Este efecto se llama electroluminiscencia y el color depende de la energía de los fotones. Los primeros LEDs construidos en 1962, emitían luz roja muy débil y se destinaron a pequeños indicadores luminosos en instrumentos electrónicos. Los principales impedimentos para su uso como lámparas de iluminación general eran su baja intensidad luminosa y su color restringido al rojo. Gracias a la invención del LED azul de alto brillo en 1994 por Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura, por lo que recibieron el Premio Nobel en 2014, y por otros avances tecnológicos, se pudieron construir las primeras lámparas comerciales de LED en 2008. Estas lámparas han revolucionado la iluminación tanto industrial como doméstica, pues son de espectro casi continuo, del color deseado, de alta intensidad y sobre todo de alta eficiencia energética.

Figura 5. Lámparas incandescente, fluorescente y de LED.

LÁMPARAS ULTRAVIOLETA

Una lámpara de vapor de mercurio emite mucha luz ultravioleta, llamada en ocasiones también “luz negra”.  Cuando el principal objetivo es obtener luz ultravioleta y como el vidrio no permite el paso de la luz ultravioleta se debe substituir éste por otro material transparente al ultravioleta. Se usan dos opciones, el cuarzo fundido, llamado también silicio fundido SiO₂ , que no es otra cosa que el vidrio pero sin las impurezas químicas que normalmente trae asociadas en su estructura química. Otra posibilidad es usar en lugar del vidrio claro, uno de color azul-violeta, llamado “cristal de Wood”. El vidrio de Wood contiene óxido de níquel y bloquea casi toda la luz visible cuya longitud de onda supere los 400 nanómetros.  La luz ultravioleta está fuera de rango visible, como se muestra en la Fig. 5.

Figura 6. Espectro de la luz ultravioleta y de la luz visible.

Una aplicación muy frecuente de las lámparas ultravioleta es iluminar ciertos materiales, normalmente invisibles a simple vista, pero que se hacen visibles debido al fenómeno denominado fluorescencia (Fig. 6). Este fenómeno se aplica en la autenticación de antigüedades y billetes. En estructuras metálicas, se aplican líquidos fluorescentes para detectar grietas y otros defectos.

Figura 7. Aplicaciones del fenómeno de la fluorescencia

Otra aplicación de la fluorescencia es en ciencia forense, donde la luz negra se usa para detectar rastros de sangre, orina, semen y saliva, ya que estos líquidos son fluorescentes, facilitando así su detección.

En espectrofotometría la luz ultravioleta (o la luz visible) es ampliamente usada en química analítica. Los láseres llamados de excímero y el de nitrógeno radian ultravioleta con suficiente energía como para atomizar las muestras y obtener espectros de emisión atómica.

Las trampas de moscas ultravioleta se usan para eliminar pequeños insectos voladores, que son atraídos a la luz UV para luego ser eliminados por una descarga eléctrica después de tocar la trampa.

ESTERILIZACIÓN CON LUZ UVC

La energía del fotón de la luz ultravioleta en la región UVC (longitud de onda de 280 a 100 nm) es tan alta que puede destruir la estructura del ADN de una célula evitando así su reproducción. Este fenómeno se ha aplicado para la esterilización de instrumentos quirúrgicos y para la potabilización de agua o líquidos medicinales. La desinfección de líquidos mediante uso de luz ultravioleta tiene muchas ventajas, ya que no deja residuos ni altera su composición o propiedades como hacen otros tratamientos de carácter químico.

El método más común consiste en la colocación de un filtro UV en un tramo del conducto por donde circula el líquido. Así, no se invierte tiempo extra en tratamientos especiales ni pasos intermedios. Estos filtros UV interceptan y destruyen los gérmenes a su paso por la luz ultravioleta; además la radiación UV destruye algas y protozoos e inhabilita así su expansión.

LÁMPARAS UV PARA LIMPIEZA DE COVID-19

Estudios recientes, como el realizado por W. J. Kowalski, T. J. Walsh y V. Petraitis (2020)  han demostrado que la luz UVC es capaz de eliminar los virus COVID-19, MERS y SARS a nivel hospitalario, mejorando así la limpieza del área de cuidados intensivos, salas de medicina general y habitaciones individuales. Desde hace varios años la luz UV ha sido ampliamente usada para esterilizar pequeños pasillos residenciales, así como también grandes espacios en proyectos comerciales e industriales. Hoy es un método efectivo para prevenir la propagación de COVID-19. En algunos países, como China (Wuhan Wuchang Hospital) ya se están usando sistemas con lámparas UVC para prevenir la infección y contribuir como solución práctica en la lucha contra la propagación del virus.

Este tipo de mecanismos de desinfección con luz UVC funcionan con un efecto germicida que depende de la longitud de onda y puede ser más o menos efectivo contra diversos microorganismos al fusionar y revolver la secuencia del ADN, destruyendo así los ácidos nucleicos y el ADN. Esta radiación es capaz de eliminar gérmenes, bacterias y hongos en un proceso natural de desinfección, muy diferente y más efectivo que los procesos químicos.

La luz UVC penetra la pared celular de los microorganismos y es absorbida por los materiales internos, produciendo mutaciones en su ADN que resultan letales, al detener su reproducción. El Dr. David Brenner, director del Center for Radioloigical Research de la University of Columbia ha dicho a propósito de la pandemia del COVID-19 que la luz ultravioleta es increíblemente eficiente para matar las bacterias y los virus.

Sin embargo, un problema importante del ultravioleta que no hay que olvidar es que precisamente por su alta energía de los fotones, también puede dañar seriamente la piel de los humanos. Debido a su longitud más corta, el UVC es más efectivo que el UVA y el UVB para matar los virus, pero por la misma razón se ha considerado por muchos años que es también el más perjudicial para los seres humanos. Por ello, la costumbre y lo más recomendable es apagar las lámparas UV cuando se esté desinfectando un lugar y vayan a ingresar personas a trabajar en ese espacio. Esta protección se puede hacer automáticamente de manera muy simple. Por otro lado, hay que recordar que el vidrio común y corriente es muy opaco al ultravioleta, por lo que las ventanas y puertas con vidrio son una excelente protección.

Es sumamente interesante también saber que las investigaciones más recientes han mostrado que aparentemente el UVC en la región más lejana al visible, conocida como UVC lejana, es decir, de longitud de onda más corta, es mucho menos peligrosa para el ser humano de lo que se pensaba, y que no dañan su ADN. Estas investigaciones se han llevado a cabo en una investigación conjunta de la University of St Andrews y el Ninewells Hospital en Dundee bajo la dirección de los Drs. Kenny Wood y el Dr. Ewan Eadie. Sus trabajos han sido publicados en el Journal of Photodermatology, Photoinmunology and Photomedicine. Los resultados preliminares muestran que si se bloquean las longitudes de onda mayores de 230 nm, esta luz UVC no daña la piel de los humanos pero conserva su poder frente a los gérmenes. Si se usan longitudes de onda alrededor de 222 nm las proteínas en las capas externas de la piel absorben la luz y forman una barrera natural de defensa. De comprobarse estos resultados, sería maravilloso, porque se podría usar ese tipo de UVC y esterilizar cualquier espacio con personas presentes. Sin embargo, aún es necesario hacer más investigación para estar absolutamente seguros.

Mientras tanto, para actuar del lado seguro y con prudencia es conveniente esterilizar los espacios deseados sin personas presentes. Esto es posible hacerlo en unos minutos o cuando mucho una hora. Si se requieren tiempos mayores se podría hacer durante la noche o los períodos de descanso. Estas lámparas ya se han usado con mucho éxito para esterilización de hospitales, medios de transporte, fábricas, escuelas, auditorios y teatros, etc.

Figura 8. Lámpara esterilizadora en un hospital

La New York Metropolitan Transit Authority ha anunciado ya el uso de la luz ultravioleta en los autobuses, oficinas públicas y comedores del sistema.

Figura 9. Esterilización de un autobús con luz ultravioleta.

La compañía Amazon ha planeado comenzar a usar un robot automatizado con lámparas ultravioleta que esterilizarán sus almacenes, oficinas y comedores.

Un problema muy fácil de comprender es que las superficies de los objetos en la sombra, no iluminadas por la luz ultravioleta no se van a limpiar. Sin embargo, hay varias soluciones a este problema. Lo primero es considerar que las superficies expuestas a la luz son las menos ocultas y por lo tanto las que tienen mayor necesidad de ser esterilizadas. Pero a fin de lograr una mejor limpieza se puede hacer lo siguiente:

1. Colocar varias lámparas en posiciones muy diversas para uniformizar la iluminación tanto como sea posible.
2. Mover las lámparas con un sistema robótico o simplemente mecánico automatizado para cubrir tantos lugares como se necesite.
3. Producir ozono al mismo tiempo que se ilumina con luz UVC, para usar su propiedad oxidante y germicida. Este se degrada rápidamente en el aire produciendo oxígeno. En este proceso de oxidación se rompe la membrana celular a los pocos segundos de contacto. Existen lámparas comerciales generadoras de ozono en el mercado.

LÁMPARAS ULTRAVIOLETA ESTERILIZADORAS EN MÉXICO