1. Спектральний код фотосинтезу в рослин
Хлоропласти мають фотосистеми I і II, які досить вибагливі щодо спектрів, які вони використовують для перетворення енергії світла в хімічну. Хлорофіл a/b найкраще поглинає світло в червоному та 450 нм синьому діапазонах. На ці смуги припадає понад 90% перетворення світлової енергії. Каротиноїди допомагають поглинати синє-фіолетове світло від 400 до 500 нм, створюючи систему, яка вловлює два типи світла. Коли кількість червоного світла становить 80%, експерименти показують, що швидкість фотосинтезу в помідорах може зрости на 50%, а вага одного плоду може зрости на 14-30%. База для посадки троянд Юньнань використовує синє світло, щоб зробити стебла на 20% товщі, а пелюстки – на 35% одноріднішим за кольором.
Рослини можуть відбивати до 60% зеленого світла (520–610 нм), однак це світло може підвищити ефективність фотосинтезу нижнього листя на 18%, коли воно проходить крізь крону. Випробування Mitsubishi Chemical в Японії виявили, що додавання 5% зеленого світла до червоно-синього композитного світла збільшило врожайність салату на 12%. Це вирішило проблему втрати світла при високій-щільності посадки. «Ефект тіні» далекого червоного світла (730 нм) зупиняє стебла від росту та спонукає квіткові бруньки до диференціації. Завдяки цьому фаза плодоношення у вирощуванні полуниці може тривати на 7-10 днів довше.
2. Спектральна революція світлодіодної технології
Три головні проблеми з традиційними джерелами світла полягають у тому, що натрієві лампи високого{0}}тиску перетворюють лише 12% електричної енергії на фотосинтетично активне випромінювання, спектри люмінесцентних ламп на 40% менше, ніж потрібні рослинам, а металогалогенні лампи випромінюють занадто багато далекого{3}}інфрачервоного випромінювання, через що рослини ростуть надто швидко. І LED зробив можливим точне налаштування спектру, створивши нові напівпровідникові матеріали:
Технологія монохроматичного оптичного чіпа: завдяки поєднанню матеріалів InGaN/GaN він може передавати чисті спектри з піковою похибкою довжини хвилі ± 2 нм. Osram у Німеччині виробляє чіпи серії OSLON Square, які на 300% ефективніші за звичайні джерела світла в діапазоні червоного світла 660 нм.
Динамічний спектральний контроль: за допомогою технології IoT система Philips GrowWise змінює спектральні співвідношення залежно від стадій росту рослин. Щоб зупинити подовження гіпокотилю, кількість синього світла підвищують до 30% на стадії сходів. Щоб допомогти квітковим брунькам диференціюватись, кількість червоного світла підвищують до 85% на стадії цвітіння. Використання далекого червоного світла в період плодоношення сприяє збільшенню плодів.
Прорив в управлінні теплом: використання керамічних підкладок і методів рідинного охолодження для підтримки температури світлодіодів нижче 45 градусів. Він виробляє на 60% менше тепла, ніж звичайні джерела світла, тому ліхтарі можна розташувати лише на відстані 15 см від крони рослин, а простір використовується в 4 рази краще.
3. «Світло контрольована ера» фермерства
Розумна теплиця в Шоугуані, Шаньдун, використовує світлодіодні ліхтарі для вирощування помідорів. Ця технологія дає 60 кг/м² томатів на рік, що в три рази більше, ніж традиційні способи. Посадка «тривимірних полиць» стала можливою завдяки використанню співвідношення червоного та синього світла 6:1. Це підвищує продуктивність продукції на одиницю площі на 500%. Теплиця в пустелі у Внутрішній Монголії дає огіркам від 4 до 6 додаткових годин світла щодня в похмурі та снігові дні (з інтенсивністю 200 мкмоль/м² · с). Завдяки цьому огірки ростуть на 25% більше, ніж зазвичай, що вирішує проблему низької продуктивності в негоду.
Світлодіодна технологія змінює спосіб виготовлення речей у сфері рослинних фабрик. Японська компанія Mirai використовує світлодіодні лампи повного спектру (включаючи УФ-A 380 нм і дальнє червоне світло 730 нм), щоб підвищити вміст вітаміну С у салаті на 18% і рівень антоціанів на 25%. Контролюючи фотоперіод (16 годин червоного світла і 8 годин темряви), час, необхідний для дозрівання полуниці, скорочується до третини часу, необхідного для звичайної посадки. Це означає, що полуниця доступна цілий рік.
4. Зміни в технології та тенденції в промисловості
Нинішнє світлодіодне освітлення рослин зараз знаходиться на третій стадії розробки:
Світлодіод із квантовими точками: використання нанокристалічних матеріалів для досягнення безперервної спектральної перестроюваності в повному діапазоні довжин хвиль від 380 до 850 нм зі світловою ефективністю понад 4 мкмоль/Дж.
Система біологічного зворотного зв’язку: вбудований датчик флуоресценції хлорофілу,-моніторинг фактичної фотохімічної ефективності ФСІІ в реальному часі та динамічна оптимізація світлової формули.
Моделювання світлового середовища штучного інтелекту: використовуючи методи глибокого навчання, створіть цифрову подвійну модель середовища спектру росту рослин, щоб ви могли робити точні прогнози та контролювати.
MarketsandMarkets каже, що світовий ринок освітлення для рослин зростатиме на 22,5% на рік і досягне 18,6 мільярдів доларів до 2027 року. Китай є найбільшим виробником і створив повний промисловий ланцюг, який йде від виробництва чіпів до складання систем. Такі компанії, як Huawei та Sanan Optoelectronics, наполягають на використанні інтелектуальних рішень для сільського господарства 5G+LED.
5. Проблеми і що робити далі
Незважаючи на те, що технології постійно вдосконалюються, сектор все ще має три великі проблеми:
Початкова вартість. Малі й середні-підприємства рідше використовуватимуть світлодіодні системи повного спектру, оскільки вони окупаються від 3 до 5 років.
Відсутність стандартів: не існує глобальної системи сертифікації легкої формули, що призводить до різних результатів при її використанні.
Вузьке місце енергоефективності: Ефективність фотоелектричного перетворення в дальній смузі червоного світла (700–800 нм) становить менше 60% від такої в червоному світлі. Це означає, що матеріалознавство має досягти великих успіхів.
Протягом наступних п’яти років галузь зосередиться на трьох основних сферах інновацій:
Редагування генів спектру: використання технології CRISPR для вирощування типів культур, які краще реагують на певні спектри.
Фото-Спільне регулювання CO₂: створення системи, яка пов’язує кількість світла та вуглекислого газу в повітрі, щоб краще використовувати світлову енергію.
Застосування в космічному сільському господарстві: створіть унікальне рішення спектра для атмосфери Марса, яка складається з 95% CO₂, щоб забезпечити продовольчу безпеку для дослідження далекого космосу.
6. Приклади-з реального життя та фінансові прибутки
Посадка помідорів у Шаньдун Шоугуані: зі світлодіодною системою, яка мала співвідношення червоного-синього світла 8:1, кількість плодів на рослині зросла з 12 до 18, вміст цукру зріс на 1,5 градуса, а вихідна вартість на акр становила понад 500 000 юанів.
Квіткова база Юньнань: завдяки використанню синього світла для зміни товщини стебел троянд відсоток квітів рівня А-зріс із 65% до 82%, а ціна за одиницю експорту зросла на 30%.
У теплиці пустелі Монголія: коли взимку -20 градусів, світлодіодні лампи допомагають огіркам рости в 2,3 рази більше, ніж у звичайних теплицях, і на 40% краще використовувати воду та добрива.
