1. Спектрален код на фотосинтезата в растенията
Хлоропластите имат фотосистема I и II, които са доста придирчиви към спектрите, които използват, за да превърнат светлинната енергия в химическа енергия. Хлорофил a/b абсорбира най-добре светлината в 660nm червена и 450nm синя светлинни ленти. Тези ленти представляват повече от 90% от преобразуването на светлинната енергия. Каротеноидите спомагат за абсорбирането на синя{6}}виолетова светлина между 400 и 500 nm, създавайки система, която улавя два вида светлина. Когато количеството червена светлина е 80%, експериментите показват, че скоростта на фотосинтезата в доматите може да се повиши с 50%, а теглото на един плод може да се повиши с 14% до 30%. Основата за засаждане на рози Юнан използва синя светлина, за да направи стъблата с 20% по-дебели и венчелистчетата с 35% по-постоянен цвят.
Растенията могат да отразяват до 60% от зелената светлина (520–610nm), но тази светлина може да повиши фотосинтетичната ефективност на долните листа с 18%, след като премине през короната. Изпитването на Mitsubishi Chemical в Япония разкри, че добавянето на 5% зелена светлина към червено-синята композитна светлина подобрява производството на маруля с 12%. Това реши проблема със загубата на светлина при висока-гъстота на засаждане. „Ефектът на сянката“ на далечната червена светлина (730 n) спира израстването на корените и насърчава цветните пъпки да се диференцират. Това може да направи фазата на плододаване при производството на ягоди да продължи 7 до 10 дни по-дълго.
2. Спектралната революция на LED технологията
Три основни проблема с традиционните източници на светлина са, че натриевите лампи с високо{0}}налягане превръщат само 12% от електрическата енергия във фотосинтетично активно лъчение, спектрите на флуоресцентните лампи са с до 40% по-малко от това, от което се нуждаят растенията, и металните халогенни лампи излъчват твърде много далечна{3}}инфрачервена радиация, което кара растенията да растат твърде бързо. И LED направи възможна точната персонализация на спектъра, като предложи нови полупроводникови материали:
Монохроматична оптична чипова технология: тя може да изпраща девствени спектри с пикова грешка на дължината на вълната от ± 2nm благодарение на комбинацията InGaN/GaN материал. Osram в Германия произвежда чиповете от серията OSLON Square, които са 300% по-ефективни от обикновените източници на светлина в лентата на червената светлина от 660 nm.
Динамичен спектрален контрол: Използвайки технологията IoT, системата Philips GrowWise променя спектралните съотношения въз основа на етапите на растеж на растенията. За да се спре удължаването на хипокотила, количеството синя светлина се повишава до 30% по време на етапа на разсад. За да се помогне на цветните пъпки да се диференцират, количеството червена светлина се повишава до 85% по време на етапа на цъфтеж. Използването на далечна червена светлина по време на периода на плододаване прави плодовете по-големи.
Пробив в управлението на топлината: Използване на керамични субстрати и техники за течно охлаждане за поддържане на температурата на светодиодите под 45 градуса. Той произвежда 60% по-малко топлина от обикновените източници на светлина, като по този начин лампите могат да бъдат поставени само на 15 см от короната на растенията и оползотворява пространството 4 пъти по-добре.
3. „Светлинно контролираната ера“ на земеделието
Интелигентната оранжерия в Shouguang, Shandong, използва LED светлини, за да помогне за отглеждането на домати. Тази технология произвежда 60 kg/m² домати годишно, което е три пъти повече от традиционните методи. Засаждането на „три-рафтове“ става възможно чрез използване на съотношение 6:1 на червена и синя светлина. Това увеличава изходната ефективност на единица площ с 500%. Пустинната оранжерия във Вътрешна Монголия дава на краставиците 4 до 6 допълнителни часа светлина всеки ден в облачни и снежни дни (с интензитет от 200 μ mol/m² · s). Това кара краставиците да растат с 25% повече от нормалното, което решава проблема с ниската продуктивност при лошо време.
LED технологията променя начина, по който се правят нещата в сферата на заводите. Компанията Mirai в Япония използва LED светлини с пълен спектър (включително UV-A 380nm и далечна червена светлина 730nm), за да повиши съдържанието на витамин С в марулята с 18% и нивото на антоцианин с 25%. Чрез контролиране на фотопериода (16 часа червена светлина и 8 часа тъмно), времето, необходимо за узряване на ягодите, се намалява до една трета от времето, необходимо за редовно засаждане. Това означава, че ягодите са достъпни през цялата година.
4. Промени в технологиите и тенденции в индустрията
Настоящото LED осветление за растения е в третата си итерация на разработка:
Светодиод с квантови точки: Използване на нанокристални материали за постигане на непрекъсната спектрална настройка в целия диапазон от дължини на вълните от 380 до 850 nm, със светлинна ефективност от повече от 4 μ mol/J.
Система за биологична обратна връзка: вграден сензор за флуоресценция на хлорофил, наблюдение-в реално време на действителната фотохимична ефективност на PSII и динамична оптимизация на светлинната формула.
AI Light Environment Modeling: Използвайки техники за дълбоко обучение, създайте дигитален двоен модел на средата на спектъра на растеж на растенията, така че да можете да правите прецизни прогнози и контрол.
MarketsandMarkets казва, че глобалният пазар на осветление за растения ще нараства с темп от 22,5% годишно, достигайки 18,6 милиарда долара до 2027 г. Китай е най-големият производител и е изградил пълна индустриална верига, която преминава от производството на чипове до сглобяването на системи. Компании като Huawei и Sanan Optoelectronics настояват за използването на 5G+LED решения за интелигентно земеделие.
5. Проблеми и какво да правя след това
Въпреки че технологията става все по-добра през цялото време, секторът все още има три големи проблема, с които трябва да се справи:
Първоначална цена: Малките и средни-предприятия е по-малко вероятно да използват LED системи с пълен спектър, тъй като им отнема от 3 до 5 години, за да се изплатят.
Няма стандарти: Няма глобална система за сертифициране за лека формула, което води до различни резултати при нейното използване.
Тясно място в енергийната ефективност: Ефективността на фотоелектричното преобразуване в далечната червена светлинна лента (700–800 n) е по-малко от 60% от тази в червена светлина. Това означава, че науката за материалите трябва да постигне голям напредък.
Индустрията ще се фокусира върху три основни области на иновации през следващите пет години:
Генно редактиране на спектъра: Използване на технологията CRISPR за отглеждане на видове култури, които реагират по-добре на определени спектри.
Снимка-CO₂ Регламент за сътрудничество: Създаване на система, която свързва количеството светлина и въглероден диоксид във въздуха, за да се използва по-добре светлинната енергия.
Приложения в космическото земеделие: Създайте уникално решение за спектъра за атмосферата на Марс, която е 95% CO₂, за да гарантирате хранителна сигурност за изследване на дълбокия космос.
6. Примери-от реалния живот и финансови печалби
Засаждане на домати в Shandong Shouguang: С LED система, която имаше съотношение на червена-синя светлина 8:1, броят на плодовете на растение се увеличи от 12 на 18, съдържанието на захар се повиши с 1,5 градуса и стойността на продукцията на акър беше повече от 500 000 юана.
Yunnan Flower Base: Чрез използването на синя светлина за промяна на дебелината на стъблата на розите, процентът на цветята от ниво A- се е повишил от 65% на 82%, а цената на единица за износ се е повишила с 30%.
В пустинната оранжерия в средата на Монголия: Когато през зимата е -20 градуса, LED светлините помагат на краставиците да растат 2,3 пъти повече, отколкото в обикновените оранжерии и да използват по-добре водата и тора с 40%.
