Распространение пандемии коронавируса по всему миру заставило многих задуматься о способах повышения безопасности в быту, на рабочих местах и в общественных пространствах. Регулярная дезинфекция помещений и предметов повседневного использования с помощью спиртосодержащих средств теоретически возможна, однако на практике реализовать ее в полном объеме крайне сложно. Не все поверхности доступны для влажной обработки, а некоторые материалы вовсе не допускают контакт с агрессивными чистящими составами. В этой связи закономерно возникает вопрос: способны ли современные технологические решения повысить уровень санитарной безопасности окружающей среды?
Согласно данным, публикуемым Центрами по контролю и профилактике заболеваний (CDC) и Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), одним из путей передачи коронавирусной инфекции является контакт с зараженными поверхностями с последующим прикосновением к лицу — области глаз, носа или рта. В качестве основных мер профилактики указываются соблюдение социальной дистанции, регулярное мытье рук и дезинфекция предметов повседневного обихода. Особое внимание при этом уделяется объектам, с которыми человек часто контактирует вне дома или подносит к лицу, например мобильным телефонам и другим персональным электронным устройствам.
К счастью, обработка поверхностей дезинфицирующими растворами — не единственный способ поддержания гигиены. Эффективной альтернативой являются источники ультрафиолетового излучения, в том числе лампы и светодиоды, применяемые для стерилизации. Подобные решения уже много лет используются в медицинских учреждениях — больницах, лабораториях, поликлиниках. В последние годы компактные УФ-устройства все чаще находят применение в небольших организациях и даже в бытовых условиях, обеспечивая дополнительную защиту предметов повседневного использования от бактерий и вирусов.
Применение ультрафиолета для дезинфекции и стерилизации
Ультрафиолетовое излучение считается одним из наиболее результативных способов нейтрализации патогенных микроорганизмов. Медицинские и исследовательские учреждения на протяжении десятилетий применяют УФ-лампы для стерилизации инструментов и обеззараживания помещений. С развитием технологий источники ультрафиолета стали более компактными и доступными, что позволило использовать их за пределами профессиональной среды.
Различают три основных диапазона ультрафиолетового излучения:
- УФA с длиной волны 315…380 нм;
- УФB — 280…315 нм;
- УФC — 100…280 нм.
Наибольшей энергией обладает излучение диапазона УФC, характеризующееся минимальной длиной волны. Именно этот тип ультрафиолета наиболее эффективно разрушает структуру микроорганизмов, что делает его пригодным для уничтожения бактерий и вирусов.
Результаты многочисленных исследований подтверждают, что ультрафиолет способен нейтрализовать до 99,9% патогенов. Дезинфекция с использованием УФ-излучения позволяет отказаться от токсичных химических средств и проводить стерилизацию без остаточных загрязнений, что особенно важно при обработке медицинских инструментов и предметов повседневного использования.
Способен ли УФ-свет уничтожить вирус COVID-19?
Основным путем передачи коронавирусной инфекции считается воздушно-капельный механизм, возникающий при кашле или чихании инфицированного человека. При этом заражение возможно и при контакте с поверхностями, на которых присутствует вирус, с последующим прикосновением к слизистым оболочкам. Несмотря на то что данный путь распространения не считается основным, он представляет потенциальную опасность.
Ультрафиолетовое излучение активно тестировалось в лабораторных и клинических условиях и доказало свою эффективность в отношении широкого спектра микроорганизмов. В то же время вирус SARS-CoV-2 является относительно новым, и на момент появления технологии отсутствовали окончательные результаты исследований, однозначно подтверждающие его полную инактивацию УФ-светом. Тем не менее, с учетом сходства механизма воздействия ультрафиолета на вирусы, можно предположить, что УФ-излучение способно эффективно нейтрализовать коронавирус, аналогично вирусу гриппа и другим оболочечным вирусам. По этой причине УФ-технологии рассматриваются как перспективный инструмент снижения вирусной нагрузки и поддержания санитарной безопасности.
Какие объекты можно обрабатывать ультрафиолетовым излучением?
УФ-свет способен уничтожать до 99,99% вирусов на поверхностях из стекла, металла, древесины и пластмасс. Однако следует учитывать состав обрабатываемых материалов. Многие виды качественной пластмассы содержат специальные УФ-ингибиторы, предназначенные для защиты изделий от солнечного излучения при эксплуатации на открытом воздухе. Такие добавки повышают устойчивость материала к ультрафиолету.
Более дешевые пластиковые материалы, как правило, не содержат подобных стабилизаторов. При длительном воздействии УФ-излучения они могут терять цвет, становиться хрупкими и подверженными механическим повреждениям. Поэтому при использовании ультрафиолетовых стерилизаторов важно учитывать свойства обрабатываемых поверхностей и рекомендованные режимы воздействия.
Дезинфекция и стерилизация с применением УФ-света
Ультрафиолетовое излучение эффективно воздействует на широкий спектр микроорганизмов, включая бактерии, вирусы и грибковые споры. Однако для достижения необходимого эффекта важно соблюдать принципы правильного применения УФ-источников.
На рынке представлен широкий ассортимент стерилизаторов, использующих ультрафиолетовый свет. Они применяются в медицинских учреждениях, косметологических кабинетах, процедурных и лабораториях. Наиболее распространены передвижные УФ-лампы для обработки помещений, а также закрытые камеры и боксы, внешне напоминающие микроволновые печи, предназначенные для стерилизации инструментов и небольших предметов.
Количество энергии, достигающей поверхности объекта, измеряется в джоулях на квадратный метр (Дж/м²). Один джоуль соответствует энергии, выделяемой при мощности 1 Вт за одну секунду. При постоянной интенсивности излучения решающим фактором становится время воздействия: чем дольше объект подвергается УФ-облучению, тем выше степень уничтожения микроорганизмов.
Для дезинфекции обычно используется ультрафиолет с длиной волны 270…290 нм, хотя весь диапазон УФ-излучения охватывает значения от 100 до 400 нм. Разные микроорганизмы обладают неодинаковой устойчивостью к ультрафиолету: бактерии разрушаются быстрее всего, тогда как вирусы, эндоспоры и грибковые споры требуют более высокой дозы излучения. Для инактивации большинства известных бактерий и вирусов достаточно дозы порядка 8 МДж/см², при этом наибольшей устойчивостью отличаются грибковые споры.
Камера для дезинфекции смартфонов
Относительно недавно были разработаны светодиоды, способные генерировать ультрафиолетовое излучение. На первых этапах такие источники света применялись в основном для возбуждения люминофоров, формирующих белое свечение. Однако сегодня большинство производителей выпускают УФ-светодиоды различной мощности и спектрального диапазона, предназначенные для решения самых разных задач. Существенный прогресс в области полупроводниковых технологий привёл к заметному росту выходной мощности подобных источников, что значительно расширило возможности их практического применения.
Использование УФ-светодиодов позволяет создавать устройства, в которых традиционные источники ультрафиолета, например ртутные лампы, оказываются неэффективными или вовсе непригодными. В качестве примера можно привести компактный УФC-светодиод, установленный внутри резервуара кофеварки. Благодаря практически неограниченному времени облучения он способен предотвращать развитие микроорганизмов в воде. При этом питание светодиода осуществляется низким напряжением, что существенно снижает риск поражения электрическим током. Это особенно важно, поскольку устройство эксплуатируется в условиях повышенной влажности. Дополнительным преимуществом является длительный срок службы светодиодов, позволяющий избежать регулярного и дорогостоящего обслуживания.
Аналогичные свойства УФ-светодиодов оказываются востребованными и в компактных очистителях воздуха либо дезодораторах. В таких устройствах ультрафиолет диапазона УФA используется для облучения катализатора, покрытого диоксидом титана. В результате образуются свободные радикалы, разрушающие сложные органические соединения. Подобные очистители могут устанавливаться в холодильниках и системах кондиционирования воздуха для устранения неприятных запахов. При совместном применении УФA и бактерицидного УФC-излучения становится возможным не только поддержание свежести воздуха, но и подавление патогенов, распространяющихся воздушным путем, а также сокращение частоты обслуживания и замены фильтров.
Концепция дезинфекционной камеры на основе УФ-светодиодов
Одним из известных производителей светодиодов является компания Liteon, и именно на базе её продукции была разработана концепция дезинфекционной камеры для смартфонов. В качестве источников излучения были выбраны УФ-светодиоды LTPL-G35UVC275GZ. Это устройства в керамическом корпусе с максимальной мощностью до 3 Вт и углом излучения около 120°. Высокая оптическая мощность обеспечивает быструю и эффективную дезинфекцию обрабатываемых поверхностей.
Номинальный ток питания такого светодиода составляет порядка 0,35 А, а типовое прямое напряжение — около 6,2 В. В условиях рассматриваемого применения электрическая мощность, подводимая к одному диоду, составляет приблизительно 2,17 Вт, что является оптимальным компромиссом между эффективностью и тепловыми потерями.
Выбор угла излучения и габаритов камеры напрямую связан с расстоянием между источником УФ-света и обрабатываемым объектом. Предположим, что максимальные размеры смартфона, предназначенного для дезинфекции, составляют 160х80х12 мм. На основе этих данных формируется эскиз камеры, в котором отображаются взаимное расположение светодиодов и объекта. Для повышения точности проектирования рекомендуется выполнять такие эскизы в масштабе 1:1, что позволяет без труда определить необходимые расстояния и габариты.
Компоновка и тепловые аспекты конструкции
Анализ эскиза показывает, что УФ-светодиоды должны быть размещены максимально близко к объекту, однако с учетом их тепловыделения. В результате был выбран вариант с использованием четырёх светодиодов — двух, расположенных сверху, и двух снизу. При расстоянии между диодами около 80 мм минимальное расстояние до поверхности смартфона, обеспечивающее равномерное облучение всей площади, составляет примерно 25 мм.
Данное расстояние выбрано как минимально допустимое, поскольку оно напрямую влияет на размеры корпуса камеры. Одновременно необходимо учитывать нагрев светодиодов в процессе работы. Для отвода тепла следует предусмотреть естественную вентиляцию либо, при необходимости, принудительный поток воздуха с использованием компактного вентилятора.
Для корректного размещения объекта внутри камеры требуется обеспечить зазор между корпусом и смартфоном, например около 4 мм. В этом случае при указанных габаритах устройства и расстоянии до УФ-источников внутренние размеры камеры составят порядка 168х88х62 мм.
Конструкция корпуса и механические элементы
Пример компоновки корпуса предусматривает размещение элементов безопасности, таких как выключатель, отключающий УФ-излучение при открывании крышки. Также необходимо предусмотреть отверстия для крепления плат, светодиодов, прокладки кабелей и установки разъемов. Отдельное внимание уделяется панели управления: кнопкам, окну дисплея или иному индикатору времени работы.
Подобный корпус может быть изготовлен, например, методом 3D-печати. В нижней части конструкции предусмотрены кронштейны для фиксации смартфона, однако их форма и количество могут быть изменены в зависимости от типов предметов, которые предполагается дезинфицировать наиболее часто.
Электронная часть и система управления
В качестве контроллера предложено использовать недорогой микроконтроллер AVR ATtiny2313. Поскольку высокая точность таймера не требуется, тактирование осуществляется от встроенного RC-генератора. Выход PD4, настроенный в режиме управления, через транзисторный ключ включает питание УФ-светодиодов.
Светодиоды могут подключаться через разъемы, однако это не является обязательным — возможна пайка непосредственно на плате. Тем не менее, использование разъемов упрощает сборку, обслуживание и тестирование устройства.
Питание УФ-светодиодов реализовано с применением стабилизатора тока на базе популярной микросхемы LM317. Такой подход предпочтительнее резистивного ограничения, поскольку обеспечивает стабильный ток при изменении температуры и позволяет использовать источник питания с широким диапазоном напряжений.
При последовательнопараллельном соединении светодиодов и с учетом падения напряжения на элементах схемы рекомендуется использовать источник питания напряжением около 15 В с допустимым током не менее 1 А. При подаче более высокого напряжения необходимо учитывать увеличение тепловыделения и обеспечить эффективный теплоотвод.
Микроконтроллер питается от стабилизированного напряжения 5 В, формируемого линейным стабилизатором 78L05. Пользовательский интерфейс включает кнопки управления, семисегментный дисплей и защитный выключатель, контролирующий положение крышки. Программирование микроконтроллера осуществляется через стандартный разъем ISP.
Программная логика работы устройства
Программное обеспечение микроконтроллера может быть реализовано на любом языке для AVR-архитектуры, включая C с использованием AVR GCC, Bascom AVR или другие среды разработки.
Алгоритм работы устройства может быть следующим:
- После подачи питания УФ-светодиоды отключены, на дисплее отображается нулевое значение.
- Пользователь с помощью кнопок устанавливает продолжительность дезинфекции с заданным шагом, например 15 минут.
- После нажатия кнопки «Старт&» начинается процесс облучения, а дисплей отображает оставшееся время.
- По завершении цикла питание светодиодов автоматически отключается, что сопровождается соответствующей индикацией.
- В процессе работы система постоянно контролирует состояние крышки. При её открытии излучение немедленно прекращается и возобновляется только после закрытия.
Подводя итог
Рассмотренная концепция дезинфекционной камеры для смартфонов демонстрирует возможности применения УФC-светодиодов в компактных и безопасных устройствах бытового назначения. Описанные решения следует воспринимать как основу для проектирования, а не как готовое устройство. Конструкцию камеры, материалы корпуса, элементы управления и программную логику можно свободно адаптировать под конкретные требования и условия эксплуатации.
При разработке подобных систем особенно важно учитывать устойчивость материалов к ультрафиолетовому излучению, а также применять источники тока для питания УФ-светодиодов. Стабилизация тока позволяет компенсировать изменения параметров полупроводников при нагреве и существенно увеличивает срок службы светодиодов, стоимость которых заметно выше по сравнению с обычными источниками света. В результате использование УФC-светодиодов становится эффективным и технологически оправданным решением для задач дезинфекции и стерилизации.