Por Oliver Lawal, Jim Cosman y Mitch Hansen
Introducción
La introducción de diodos emisores de luz (LED) ultravioleta (UV)-C o germicidas que emiten 240 a 280 nm ya está empezando a afectar los desarrollos en los mercados de desinfección de agua, aire y superficie ya que la sociedad continúa buscando fuentes de luz más confiables, eficientes y ecológicamente favorables para aplicaciones de desinfección. La posibilidad de producir LED UV-C a volúmenes continuos más altos a un costo muy bajo significa que tiene el potencial de ser desplegada más ampliamente en la población global. Para ayudarnos a comprender a dónde nos llevará esta nueva tecnología, hemos contrastado el desarrollo de tecnologías UV a pequeña escala o micro germicidas para el tratamiento del agua con la evolución de los teléfonos inteligentes. Los avances en muchas tecnologías (incluyendo los microprocesadores y LED visibles) han permitido que el 85 por ciento de la población mundial tenga actualmente acceso a comunicaciones distribuidas/acceso a la información. Esto ha ocurrido durante un período de tiempo relativamente corto: aproximadamente 15 años. Apoyamos que la introducción de LEDs UV-C sea análoga a la introducción de LED visibles como una tecnología habilitadora para el desarrollo de teléfonos inteligentes. Es decir, la introducción de los LED UV-C tendrá un profundo impacto en un gran porcentaje de la población mundial, al aumentar el acceso al agua potable.
Estado actual de los LED UV-C
Los LED son dispositivos semiconductores que consisten en varias capas construidas de un material de sustrato. Pueden diseñarse para emitir fotones en el rango de UV-C y, por lo tanto, se utilizan para realizar las mismas funciones que las lámparas UV convencionales de descarga de gas mercurio; sin embargo, son una alternativa ecológicamente favorable porque no contienen metales pesados y no requieren manipulación ni eliminación especial. Además, su operación instantánea de encendido-apagado y huella reducida permite una mayor gama de libertad de diseño para aplicaciones en las que el tamaño, el voltaje, la operación rápida y las limitaciones de la arquitectura han prohibido el uso de la tecnología convencional de lámparas de mercurio. (Los primeros dispositivos LED UV-C fueron desarrollados principalmente en los Estados Unidos y Japón como extensiones de dispositivos LED que emiten en la región de longitud de onda azul y luego UV-A y UV-B).
Correlación entre los teléfonos inteligentes y los productos micro LED UV-C
Entonces, ¿cómo hacemos un paralelismo entre las dos tecnologías? El Informe sobre el desarrollo mundial publicado en 2016 muestra que, en el año 2000, sólo el cinco por ciento de la población mundial tenía acceso a teléfonos móviles. Para 2015, ese número había aumentado al 90 por ciento. Este aumento se debe en gran parte al avance de las tecnologías (como los LED visibles) utilizados en las pantallas de teléfonos inteligentes y otras tecnologías habilitantes. La Tabla 1 describe los factores que han aumentado la accesibilidad de los teléfonos inteligentes a la población mundial e intenta identificar factores paralelos similares para los sistemas LED UV-C.
Cabe señalar que los avances en las computadoras han permitido las oportunidades informáticas descentralizadas y personalizadas actualmente disponibles en nuestros teléfonos inteli-gentes en la actualidad. En retrospectiva, inicialmente las computadoras eran propiedad de los gobiernos, luego de las grandes corporaciones y, finalmente resultaron sieado compartidas por departamentos enteros. Esto ha cambiado a oportunidades más distribuidas, como los dispositivos individuales y múltiples que usamos actualmente (por ejemplo, teléfono inteligente, tableta, computadora portátil). Esto ofrece un emocionante paralelo para el mundo de la desinfección con el desarrollo de sistemas de desinfección de agua basados en LED UV-C.
La desinfección con agua ultravioleta tuvo un inicio muy similar en comparación con las computadoras. El tratamiento comenzó con instalaciones de tratamiento municipal de gran caudal, la primera de ellas en Marsella, Francia, en 1910. Las agencias reguladoras y de investigación propiedad del gobierno, lograron avances asistidos por grandes corporaciones en la adaptación de la tecnología de desinfección de agua con luz UV. A principios de la década de 2000, se instalaron muchos sistemas de tratamiento UV a gran escala en las grandes ciudades (como Nueva York, San Francisco, Londres, París, Auckland, Sydney, Hong Kong, etc.).
Las lámparas convencionales basadas en mercurio también se hicieron más pequeñas y, junto con los controladores electrónicos y las cadenas de suministro mundiales, hubo un aumento de los sistemas domésticos (punto de ingreso) y comerciales (punto de uso) que se hicieron disponibles en el mercado. La introducción de LEDs UV-C incrementó enormemente las posibilidades de aplicación de desinfección, ya que esta tecnología de estado sólido puede integrarse en prácticamente cualquier producto en el que la contaminación del aire, la superficie o el agua pueda ser motivo de preocupación.
Las lámparas UV convencionales tienen algunas limitaciones cuando se examinan los detalles de la desinfección UV distribuida, particularmente en relación con la huella de la lámpara UV combinada y el controlador (balasto). Los LED UV-C de estado sólido siempre tendrán una ventaja de espacio, dada la naturaleza de la densidad de alta potencia de la tecnología LED. Esto se presta a una incrustación más profunda de LED UV-C en procesos que requieren desinfección. Además, las lámparas UV basadas en mercurio más pequeñas (menos de 20 W de potencia de entrada) son típicamente menos eficientes que sus contrapartes de mayor potencia, lo que proporciona controladores adicionales para la adopción de LED UV-C para caudales más pequeños y distribuidos; por ejemplo, menos de 20 L/m (5.2 gpm).
Estado de los productos de desinfección de agua LED UV-C
Los sistemas de desinfección LED UV-C se utilizan actualmente en aplicaciones en las que los sistemas convencionales de lámparas de mercurio no han sido utilizados, creando mercados completamente nuevos en segmentos tales como dispositivos médicos, desinfección de líneas dentales, dispensadores de agua, máquinas para hacer hielo, aparatos electrodomésticos, etc. Los sistemas de desinfección de agua LED UV-C disponibles actualmente apuntan típicamente a caudales inferiores a 20 L/m y aplicaciones específicas que son desafiantes para las lámparas de descarga de gas. Por ejemplo, el potencial de huella extremadamente pequeño de los sistemas basados en LED UV-C les permite ser incorporados directamente en grifos y aparatos electrodomésticos. El estado libre de mercurio de los LED UV permite que estos sistemas se incorporen a dispositivos médicos, aeroespaciales y aplicaciones militares, donde los sistemas UV convencionales a menudo se descartaban debido a la rotura potencial y el riesgo de contaminación por mercurio (ver Figuras 2 y 3).
El futuro de los dispositivos y sistemas LED UV-C es un tema muy debatido en la comunidad de la luz UV. El enfoque actual y la discusión se centran en las eficiencias relativamente bajas y las salidas ópticas de los dispositivos LED UV-C individuales reportados en la literatura, en comparación con las lámparas UV de vapor de mercurio más grandes disponibles. Sin embargo, es más útil considerar el rendimiento del producto para los productos basados en LED UV-C comerciales en el rango inferior a 20 L/m, para productos de lámparas de vapor de mercurio de capacidad similar. La experiencia del mercado ya ha demostrado que los usuarios exigen soluciones de desinfección con los beneficios exclusivos que ofrecen las fuentes de LED UV-C y están dispuestos a integrar estas nuevas soluciones. En algunos casos, el costo es más bajo y, en otros los usuarios están dispuestos a pagar una prima para hacerlo. Sin embargo, en la mayoría de los casos, las soluciones LED UV-C LED están creando nuevas aplicaciones para la tecnología UV, en lugar de desplazar las lámparas de descarga de gas existentes.
¿A dónde conducirá todo este desarrollo y cuáles son las implicaciones para futuras aplicaciones? Un buen punto de referencia es la Ley de Haitz, desarrollada por Roland Haitz, PhD, quien ha sido calificado como el “Padrino de los LED”. Esta ley establece que cada década, la generación óptica de un LED aumentará en un factor de 20, mientras que el precio por generación óptica se reducirá por un factor de 10. Una revisión de los datos actuales de generación óptica y el precio de los LED UV-C sugiere que el desarrollo del dispositivo LED UV-C LED se encuentra dentro de los límites descritos por la Ley de Haitz. En función de esta trayectoria, la implicación para 2026 es de 1.4 vatios por LED a $0.1/mW.
¿Qué significa esto? En función del estado de la tecnología actual, ya hemos visto la adopción de las tecnologías de desinfección de agua LED UV-C en el mundo desarrollado en aplicaciones donde se valoran sus beneficios incrementales. ¿Pero qué hay del mundo en desarrollo? ¿Esta tecnología hará que la desinfección del agua sea más accesible para el mundo en desarrollo? Anteriormente hablamos sobre el rápido avance de la tecnología de teléfonos inteligentes y el hecho de que el 90 por ciento de la población mundial ahora tiene acceso a estas tecnologías. Para mostrar la necesidad de una mejor desinfección del agua, la misma fuente de datos (World Development Report) muestra que la mejora de las condiciones de saneamiento en todo el mundo sólo ha aumentado un 20 por ciento entre 2000 y 2015. Además, el costo de acceder al consumo seguro en términos absolutos y como porcentaje del ingreso neto. La mayoría de los residentes de los Estados Unidos pagan menos de $1 por metro cúbico de agua limpia, mientras que este costo sube a $3 en Filipinas y a más de $5 en Colombia.
Conclusión
El agua limpia ha sido una lucha para partes del mundo durante siglos. Una mayor adopción de las tecnologías de desinfección del agua con LED UV-C en el mundo desarrollado beneficiará al mundo en desarrollo y aumentará el acceso a la tecnología de desinfección. El aumento del volumen en el mundo desarrollado reducirá el precio total de la tecnología base LED UV-C y, combinado con mejoras de ingeniería, aumentará la asequibilidad de esta tecnología para los países en desarrollo. Si bien los avances en nanotecnología permitieron que el 85 por ciento del mundo accediera a los teléfonos móviles en tan solo 15 años, la nanotecnología UV tendrá un papel importante en las demandas mundiales de agua.
Acerca de los autores
Oliver Lawal, fundador y OEJ de AquiSense Technologies, ha estado involucrado en el desarrollo de sistemas de desinfección LD UV-C durante más de una década y ha estado involucrado en la industria de la luz ultravioleta durante 20 años. Además, es presidente de la International Ultraviolet Association. Jim Cosman, Director de Desarrollo de Negocios, tiene 20 años de experiencia en el mercado de luz UV, con una cantidad de puestos en mercadeo, asuntos regulatorios y desarrollo de negocios. Mitch Hansen es un Especialista en E-Marketing de la compañía y ha abogado por los LED UV, promoviendo sus beneficios sobre las aplicaciones convencionales.
Acerca de la empresa
AquiSense Technologies es el líder mundial en diseño y fabricación de sistemas LED UV-C. La compañía trabaja con los principales fabricantes de LED para evaluar sus dispositivos y luego diseñar productos de desinfección eficaces. Usando una combinación de tecnología patentada y conocimiento a fondo, la compañía integra dispositivos LED en productos que resuelven problemas de la vida real en aplicaciones de agua, aire y superficie.