1. Tehniskā bāze: Kvantu komunikācija starp gaismu un ūdeni (1) Spektrālās iespiešanās fiziskā robeža
Ūdens ir ļoti selektīvs attiecībā uz to, kurus spektrus tas absorbē. Zilā gaisma (450–480 nm) iekļūst visvairāk un paliek 50 cm dziļumā ar caurlaidību 75%. Zaļā gaisma (500–570 nm) ir otrā, ar caurlaidību aptuveni 40%. Sarkanā gaisma (620–680 nm) izzūd līdz 30% 20 cm dziļumā. Tāpēc augi, kas aug zem ūdens dabiskās ūdenstilpēs, šķiet zili{15}}zaļi: tikai zilā-zaļā gaisma var izkļūt cauri ūdens barjerai un to absorbēt hlorofils. LED tehnoloģija pārvar dabiskā apgaismojuma fiziskos ierobežojumus, rūpīgi kontrolējot spektrālo izvadi.
(2) Fotosintēzes viļņa garuma kodēšana
Hlorofila a/b un karotinoīdu sinerģiskā iedarbība ir tas, kas liek fotosintēzei darboties augos. Hlorofils an absorbē 90% sarkanās gaismas pie 660 nm, hlorofils b absorbē 85% zilās gaismas pie 430 nm, un karotinoīdi palīdz absorbēt gaismu 400-550 nm diapazonā. Eksperimenti ir parādījuši, ka LED gaismas avota izmantošana ar 1:1 attiecību 660 nm sarkanā gaisma pret 450 nm zilo gaismu var uzlabot ūdensaugu fotosintēzes ātrumu par 27%, salīdzinot ar atsevišķu balto gaismu, un palielināt hlorofila saturu par 15%.
(3) Molekulārais mehānisms, kas kontrolē gaismas formu
Ūdens augi izmanto fitohromu un kriptohromu, lai sajustu gaismu. Sarkanā gaisma (660nm) maina gaismjutīgā pigmenta Pr formu uz Pfr, kas aptur stublāju augšanu un sāk hloroplastu attīstību. Tālā sarkanā gaisma (730 nm) dara pretējo. Kriptohroms nosaka zilo gaismu un kontrolē stomatītu un diennakts ciklu atvēršanu un aizvēršanu. Šis molekulārā-līmeņa gaismas regulēšanas mehānisms ļauj ūdensaugiem mainīt to attīstību atkarībā no gaismas daudzuma.
2. LED tehnoloģijas izmantošana ūdenī: no laboratorijas līdz tirgum
(1) Komerciālo akvāriju ekoloģijas atjaunošana
SEA Aquarium Singapūrā izmanto slāņveida LED apgaismojuma sistēmu. Augšējais slānis (piemēram, ūdens vīģe) izmanto 450 nm zilās gaismas spektru, lai palīdzētu diferencēt sānu pumpurus. Vidējais slānis (tāpat kā Iron Crown) izmanto 660 nm sarkanās gaismas un 450 nm zilās gaismas attiecību 1:2, lai palīdzētu hlorofila sintēzei. Apakšējais slānis (piemēram, Moss) izmanto 730 nm tālu sarkano gaismu, lai kontrolētu augšanas ritmu. Salīdzinot ar parasto apgaismojumu, tehnoloģija uzlabo ūdensaugu biomasu par 40% un samazina aļģu ziedēšanas risku par 65%.
(2) Vieds atjauninājums mājas akvārijiem
Xiaomi Ecological Chain viedajā akvārija apgaismojumā tiek izmantotas IoT tehnoloģijas, lai veiktu spektra dinamisko vadību. Lai ūdensaugi sāktu fotosintēzi, no rīta atdariniet saullēkta spektru, kur 60% gaismas ir zilā gaisma pie 450 nm. Pusdienlaikā pārslēdzieties uz pilna spektra režīmu (sarkanā zilā attiecība 1:1), lai saglabātu pēc iespējas augstāku fotosintēzes ātrumu; Lai izskatās, ka saule riet, vakarā pārslēdzieties uz 2700 K siltu gaismu (ar 70% sarkanās gaismas). Lietotāju testēšana parāda, ka šī metode samazina ūdensaugu augšanas ciklu par 20% un tikai palielina elektroenerģijas izmaksas par 0,3 juaņas dienā.
(3) Revolucionārs lietojums zinātniskajā pētniecībā
Ķīnas Zinātņu akadēmijas Hidroloģijas institūts ir atklājis, ka, izmantojot trīs joslu LED sistēmu ar 660 nm sarkano gaismu, 430 nm zilo gaismu un 730 nm tālu sarkano gaismu, var palielināt cietes daudzumu rūgtajā zālē par 35% un olbaltumvielu daudzumu par 22%. Audzējot saldūdens aļģes, izmantojot gaismas diodes, kas izstaro noteiktus viļņu garumus, hlorellas biomasas ražošana palielinājās 2,3 reizes, salīdzinot ar standarta metodēm, un Omega-3 taukskābju saturs par 18%.
3. Tehniskas problēmas un risinājumi: kā uzlauzt zemūdens fotosintētiskās paroles
(1) Veids, kā kompensēt spektrālo vājināšanos
Ik pēc 10 cm dziļāk ūdens, jo sarkanās gaismas ir par aptuveni 40%. Atbilde ir izmantot lielas-jaudas LED mikroshēmas (piemēram, CREE XP-G3 sēriju, kuru gaismas efektivitāte ir 220 lm/W), pievienot objektīva fokusēšanas dizainu (piemēram, 120 grādu platleņķa-objektīvu) un izveidot daudzpakāpju apgaismojuma sistēmu (ar neatkarīgiem spektra moduļiem, kas iestatīti ik pēc 20 cm ūdens dziļuma). Testi ir parādījuši, ka šīs darbības var uzturēt PPFD (fotosintētisko fotonu plūsmas blīvumu) virs 150 μmol/m²/s 50 cm dziļumā ūdenī.
(2) Jauni veidi, kā pārvaldīt siltumu
Par katru LED savienojuma temperatūras paaugstināšanos par 10 grādiem gaismas efektivitāte samazinās par 4% un kalpošanas laiks samazinās par 50%. Augstais mitrums (relatīvais mitrums no 80% līdz 95%), kas ir izplatīts ūdens vidē, padara vēl grūtāk atbrīvoties no karstuma. Daži risinājumi nozarei ir šādi: izmantot alumīnija -PCB plates (siltuma vadītspēja ir lielāka vai vienāda ar 2W/m · K); šķidruma dzesēšanas un siltuma izkliedes sistēmu projektēšana (piemēram, cirkulācijas ūdens dzesēšanas cauruļvadi); un fāzes maiņas materiālu (piemēram, parafīna/paplašināta grafīta kompozītmateriālu) izgatavošana. Testi ir parādījuši, ka šīs tehnoloģijas var uzturēt gaismas diožu savienojuma temperatūru zem 65 grādiem un gaismas samazināšanās ātrumu 0,3% uz kilovatstundu.
(3) Prasme līdzsvarot fotobioloģisko drošību
Pārāk daudz zilās gaismas (450–480 nm) var apturēt ūdensaugu augšanu. Pētījumi liecina, ka, zilās gaismas PPFD pārsniedzot 80 μmol/m²/s, fotosistēmas II aktivitāte rūgtajā zālē samazinās par 15%. Šī pieeja ietver dinamiskā spektra regulēšanas izmantošanu (šāda zilās gaismas daudzuma samazināšana par 40% dienas laikā) un impulsa platuma modulācijas (PWM) tehnoloģiju (ar frekvenci vismaz 1 kHz, lai novērstu mirgošanu). Iestatiet gaismas intensitātes sliekšņa aizsardzību, kas automātiski pazeminās, kad PPFD pārsniedz 200 μ mol/m ²/s.
