1. Fotosintēzes spektrālais kods augos
Hloroplastiem ir I un II fotosistēma, kas ir diezgan izvēlīgi attiecībā uz spektriem, ko tie izmanto, lai gaismas enerģiju pārvērstu ķīmiskajā enerģijā. Hlorofils a/b vislabāk absorbē gaismu 660 nm sarkanās un 450 nm zilās gaismas joslās. Šīs joslas veido vairāk nekā 90% no gaismas enerģijas pārveidošanas. Karotinoīdi palīdz absorbēt zilo{6}}violeto gaismu no 400 līdz 500 nm, radot sistēmu, kas uztver divu veidu gaismu. Ja sarkanās gaismas daudzums ir 80%, eksperimenti liecina, ka tomātos fotosintēzes ātrums var palielināties par 50%, bet viena augļa svars var pieaugt par 14% līdz 30%. Yunnan rožu stādīšanas pamatnē ir izmantota zilā gaisma, lai padarītu stublājus par 20% biezākus un ziedlapu krāsu par 35% vienmērīgāku.
Augi var atstarot līdz 60% zaļās gaismas (520–610 nm), tomēr šī gaisma var palielināt apakšējo lapu fotosintēzes efektivitāti par 18%, kad tā iziet cauri nojumei. Mitsubishi Chemical izmēģinājums Japānā atklāja, ka 5% zaļās gaismas pievienošana sarkanzilajai kompozītmateriālajai gaismai palielināja salātu ražošanu par 12%. Tas atrisināja gaismas zuduma problēmu augsta-blīvuma stādījumos. Tālas sarkanās gaismas (730 nm) "ēnu efekts" aptur stublāju augšanu un veicina ziedu pumpuru atšķiršanu. Tas var padarīt augļu fāzi zemeņu ražošanā ilgāk par 7 līdz 10 dienām.
2. LED tehnoloģijas spektrālā revolūcija
Trīs galvenās problēmas ar tradicionālajiem gaismas avotiem ir tādas, ka augstspiediena nātrija spuldzes tikai 12% elektroenerģijas pārvērš fotosintētiski aktīvā starojumā, dienasgaismas spuldžu spektri ir līdz 40% mazāki nekā augiem nepieciešami, un metālu halogenīdu spuldzes izstaro pārāk daudz tālu-infrasarkanā starojuma, kas liek augiem augt pārāk ātri. Un LED ir padarījis iespējamu precīzu spektra pielāgošanu, nākot klajā ar jauniem pusvadītāju materiāliem:
Monohromatiskās optiskās mikroshēmas tehnoloģija: tā var nosūtīt senatnīgus spektrus ar maksimālo viļņa garuma kļūdu ± 2nm, pateicoties InGaN/GaN materiālu kombinācijai. Osram Vācijā ražo OSLON Square sērijas mikroshēmas, kas ir par 300% efektīvākas nekā parastie gaismas avoti 660 nm sarkanās gaismas joslā.
Dinamiskā spektrālā vadība: izmantojot IoT tehnoloģiju, Philips GrowWise sistēma maina spektrālās attiecības, pamatojoties uz augu augšanas stadijām. Lai apturētu hipokotila pagarināšanos, sējeņu stadijā zilās gaismas daudzums tiek palielināts līdz 30%. Lai ziedpumpuri atšķirtos, ziedēšanas laikā sarkanās gaismas daudzums tiek palielināts līdz 85%. Izmantojot tālu sarkano gaismu augļu periodā, augļi kļūst lielāki.
Izrāviens siltuma pārvaldībā: keramikas substrātu un šķidruma dzesēšanas paņēmienu izmantošana, lai LED temperatūru uzturētu zem 45 grādiem. Tas ražo par 60% mazāk siltuma nekā parastie gaismas avoti, līdz ar to gaismas var novietot tikai 15 cm attālumā no auga nojumes, un tas 4 reizes labāk izmanto telpu.
3. Lauksaimniecības "Gaismas kontrolētais laikmets".
Viedajā siltumnīcā Shouguang, Shandong, tiek izmantotas LED gaismas, lai palīdzētu audzēt tomātus. Ar šo tehnoloģiju gadā saražo 60 kg/m² tomātu, kas ir trīs reizes vairāk nekā ar tradicionālajām metodēm. "Trīs-dimensiju plauktu" stādīšana ir iespējama, izmantojot sarkanās un zilās gaismas attiecību 6:1. Tas palielina produkcijas efektivitāti uz laukuma vienību par 500%. Tuksneša siltumnīca Iekšējā Mongolijā sniedz gurķiem 4–6 papildu gaismas stundas katru dienu apmācies un sniegotās dienās (ar intensitāti 200 μmol/m² · s). Tas liek gurķiem augt par 25% vairāk nekā parasti, kas atrisina zemas produktivitātes problēmu sliktos laika apstākļos.
LED tehnoloģija maina veidu, kā lietas tiek ražotas rūpnīcu rūpnīcās. Uzņēmums Mirai Japānā izmanto pilna spektra LED gaismas (tostarp UV-A 380 nm un tālu sarkano gaismu 730 nm), lai palielinātu C vitamīna saturu salātos par 18% un antocianīna līmeni par 25%. Kontrolējot fotoperiodu (16 stundas sarkanā gaismā un 8 stundas tumsā), laiks, kas nepieciešams zemeņu nogatavošanai, tiek samazināts līdz trešdaļai laika, kas nepieciešams regulārai stādīšanai. Tas nozīmē, ka zemenes ir pieejamas visu gadu.
4. Tehnoloģiju izmaiņas un tendences rūpniecībā
Pašreizējais LED augu apgaismojums tagad ir trešajā attīstības atkārtojumā:
Kvantu punktu gaismas diode: izmantojot nanokristāliskos materiālus, lai panāktu nepārtrauktu spektrālo noskaņojamību visā viļņu garuma diapazonā no 380 līdz 850 nm ar gaismas efektivitāti, kas pārsniedz 4 μmol/J.
Biofeedback sistēma: iebūvēts hlorofila fluorescences sensors, PSII faktiskās fotoķīmiskās efektivitātes-reāllaika uzraudzība un gaismas formulas dinamiska optimizācija.
AI gaismas vides modelēšana: izmantojot dziļās mācīšanās metodes, izveidojiet augu augšanas spektra vides digitālo dvīņu modeli, lai varētu veikt precīzas prognozes un kontrolēt.
MarketsandMarkets norāda, ka pasaules augu apgaismojuma tirgus pieaugs par 22,5% gadā, līdz 2027. gadam sasniedzot 18,6 miljardus ASV dolāru. Ķīna ir lielākais ražotājs un ir izveidojusi pilnu rūpniecisko ķēdi, kas sākas no mikroshēmu izgatavošanas līdz sistēmu salikšanai. Tādi uzņēmumi kā Huawei un Sanan Optoelectronics cenšas izmantot 5G+LED viedās lauksaimniecības risinājumus.
5. Problēmas un ko darīt tālāk
Lai gan tehnoloģija visu laiku kļūst labāka, nozarei joprojām ir jārisina trīs lielas problēmas:
Sākotnējās izmaksas: mazie un vidējie{0}}uzņēmumi, visticamāk, neizmantos pilna spektra LED sistēmas, jo tās atmaksājas 3–5 gadu laikā.
Nav standartu: vieglai formulai nav globālas sertifikācijas sistēmas, kas rada atšķirīgus rezultātus, ja to lieto.
Energoefektivitātes vājās vietas: fotoelektriskās konversijas efektivitāte tālās sarkanās gaismas joslā (700–800 nm) ir mazāka par 60% no efektivitātes sarkanajā gaismā. Tas nozīmē, ka materiālu zinātnei ir jāpanāk liels progress.
Nākamo piecu gadu laikā nozare koncentrēsies uz trim galvenajām inovāciju jomām:
Spektra gēnu rediģēšana: CRISPR tehnoloģijas izmantošana, lai audzētu kultūraugu veidus, kas labāk reaģē uz noteiktiem spektriem.
Foto-CO₂ sadarbības regulējums: sistēmas izveide, kas savieno gaismas daudzumu un oglekļa dioksīda daudzumu gaisā, lai labāk izmantotu gaismas enerģiju.
Kosmosa lauksaimniecības pielietojumi: izveidojiet unikālu spektra risinājumu Marsa atmosfērai, kurā ir 95% CO₂, lai nodrošinātu pārtikas drošību dziļās kosmosa izpētei.
6. Piemēri no dzīves-un finansiālie ieguvumi
Tomātu stādīšana Shandong Shouguang: izmantojot LED sistēmu, kuras sarkanās-zilās gaismas attiecība bija 8:1, augļu skaits vienā augā pieauga no 12 līdz 18, cukura saturs palielinājās par 1,5 grādiem, un produkcijas vērtība uz akru bija vairāk nekā 500 000 juaņu.
Junaņas ziedu bāze: izmantojot zilo gaismu, lai mainītu rožu stublāju biezumu, A-līmeņa ziedu procentuālais daudzums ir palielinājies no 65% līdz 82%, un cena par vienu vienību eksportam ir pieaugusi par 30%.
Mongolijas tuksneša siltumnīcas vidū: kad ziemā ir -20 grādi, LED gaismas palīdz gurķiem augt 2,3 reizes vairāk nekā parastajās siltumnīcās un par 40% labāk izmantot ūdeni un mēslojumu.
