1. Spektrálny kód fotosyntézy v rastlinách
Chloroplasty majú fotosystém I a II, ktoré sú dosť náročné na spektrá, ktoré používajú na premenu svetelnej energie na chemickú energiu. Chlorofyl a/b najlepšie absorbuje svetlo v pásme 660nm červeného a 450nm modrého svetla. Tieto pásma predstavujú viac ako 90 % premeny svetelnej energie. Karotenoidy pomáhajú absorbovať modré-fialové svetlo medzi 400 a 500 nm, čím vytvárajú systém, ktorý zachytáva dva typy svetla. Keď je množstvo červeného svetla 80%, experimenty ukazujú, že rýchlosť fotosyntézy v paradajkách sa môže zvýšiť o 50% a hmotnosť jedného ovocia sa môže zvýšiť o 14% až 30%. Základ na pestovanie ruží Yunnan využíva modré svetlo, aby boli stonky o 20 % hrubšie a okvetné lístky o 35 % konzistentnejšie vo farbe.
Rastliny môžu odrážať až 60% zeleného svetla (520–610nm), avšak toto svetlo môže zvýšiť fotosyntetickú účinnosť spodných listov o 18%, keď prejde cez korunu. Test Mitsubishi Chemical v Japonsku odhalil, že pridanie 5 % zeleného svetla do červeného modrého kompozitného svetla zvýšilo produkciu šalátu o 12 %. Tým sa vyriešil problém straty svetla pri-výsadbe s vysokou hustotou. "Efekt tieňa" ďaleko červeného svetla (730 nm) zastaví stonky v predlžovaní rastu a povzbudí puky, aby sa rozlíšili. Vďaka tomu môže fáza plodenia pri produkcii jahôd trvať o 7 až 10 dní dlhšie.
2. Spektrálna revolúcia LED technológie
Tri hlavné problémy tradičných svetelných zdrojov spočívajú v tom, že vysokotlakové sodíkové výbojky- premenia iba 12 % elektrickej energie na fotosynteticky aktívne žiarenie, spektrá žiariviek sú až o 40 % iné ako to, čo rastliny potrebujú, a halogenidové výbojky vyžarujú príliš veľké-infračervené žiarenie, čo spôsobuje, že rastliny rastú príliš rýchlo. A LED umožnila presné prispôsobenie spektra tým, že prišla s novými polovodičovými materiálmi:
Technológia monochromatických optických čipov: vďaka kombinácii materiálov InGaN/GaN dokáže vysielať nedotknuté spektrá so špičkovou chybou vlnovej dĺžky ± 2 nm. Osram v Nemecku vyrába čipy série OSLON Square, ktoré sú o 300 % efektívnejšie ako bežné svetelné zdroje v 660nm pásme červeného svetla.
Dynamická kontrola spektra: Pomocou technológie IoT mení systém Philips GrowWise spektrálne pomery na základe štádií rastu rastlín. Aby sa zastavilo predlžovanie hypokotylu, množstvo modrého svetla sa zvýši na 30 % počas štádia semenáčika. Aby sa puky rozlíšili, množstvo červeného svetla sa počas fázy kvitnutia zvýši na 85 %. Použitím ďaleko červeného svetla počas obdobia plodenia sa ovocie zväčšuje.
Prelom v riadení tepla: Použitie keramických substrátov a techniky chladenia kvapalinou na udržanie teploty LED pod 45 stupňov. Produkuje o 60% menej tepla ako bežné svetelné zdroje, preto môžu byť svetlá umiestnené len 15 cm od vrchlíka rastliny a 4-krát lepšie využíva priestor.
3. "Svetlom riadená éra" poľnohospodárstva
Inteligentný skleník v Shouguang, Shandong, využíva LED svetlá na pomoc pri pestovaní paradajok. Táto technológia produkuje 60 kg/m² paradajok za rok, čo je trikrát viac ako tradičné metódy. Osadenie „troj-rozmerných políc“ je možné vďaka využitiu pomeru červeného a modrého svetla 6:1. Tým sa zvyšuje výstupná účinnosť na jednotku plochy o 500 %. Púštny skleník vo Vnútornom Mongolsku poskytuje uhorkám 4 až 6 hodín svetla navyše každý deň v zamračených a zasnežených dňoch (s intenzitou 200 μ mol/m ² · s). To spôsobí, že uhorky rastú o 25 % viac ako by normálne, čo rieši problém nízkej produktivity v zlom počasí.
Technológia LED mení spôsob, akým sa veci vyrábajú v oblasti závodov. Spoločnosť Mirai Company v Japonsku využíva LED svetlá s úplným spektrom (vrátane UV-A 380 nm a ďaleko červeného svetla 730 nm) na zvýšenie obsahu vitamínu C v šaláte o 18 % a hladiny antokyanov o 25 %. Riadením fotoperiódy (16 hodín červeného svetla a 8 hodín tmy) sa čas potrebný na dozretie jahôd skráti na tretinu času, ktorý je potrebný na pravidelné vysádzanie. To znamená, že jahody sú dostupné po celý rok.
4. Technologické zmeny a trendy v priemysle
Súčasné LED osvetlenie rastlín je teraz vo svojej tretej iterácii vývoja:
Quantum dot LED: Použitie nanokryštalických materiálov na dosiahnutie kontinuálnej spektrálnej laditeľnosti v celom rozsahu vlnových dĺžok od 380 do 850 nm, so svetelnou účinnosťou viac ako 4 μmol/J.
Systém biofeedbacku: vstavaný fluorescenčný senzor chlorofylu, monitorovanie skutočnej fotochemickej účinnosti PSII v reálnom čase- a dynamická optimalizácia svetelného vzorca.
Modelovanie prostredia pomocou AI: Pomocou techník hlbokého učenia vytvorte model digitálneho dvojčaťa prostredia rastového spektra rastlín, aby ste mohli robiť presné predpovede a kontrolu.
MarketsandMarkets hovorí, že globálny trh s osvetlením rastlín sa bude zvyšovať o 22,5 % ročne a do roku 2027 dosiahne 18,6 miliardy USD. Čína je najväčším výrobcom a vybudovala celý priemyselný reťazec, ktorý siaha od výroby čipov až po zostavovanie systémov. Spoločnosti ako Huawei a Sanan Optoelectronics presadzujú používanie inteligentných farmárskych riešení 5G+LED.
5. Problémy a čo robiť ďalej
Aj keď sa technológia neustále zlepšuje, sektor má stále tri veľké problémy, s ktorými sa musí vyrovnať:
Počiatočné náklady: Malé a stredné{0}}podniky budú menej pravdepodobne používať celospektrálne systémy LED, pretože ich návratnosť trvá 3 až 5 rokov.
Žiadne štandardy: Neexistuje žiadny globálny certifikačný systém pre ľahké zloženie, čo vedie k rôznym výsledkom pri jeho použití.
Prekážka energetickej účinnosti: Účinnosť fotoelektrickej konverzie v širokom pásme červeného svetla (700–800 nm) je nižšia ako 60 % účinnosti v červenom svetle. To znamená, že materiálová veda musí urobiť veľké pokroky.
Priemysel sa počas nasledujúcich piatich rokov zameria na tri hlavné oblasti inovácií:
Úprava génov spektra: Použitie technológie CRISPR na pestovanie typov plodín, ktoré lepšie reagujú na určité spektrá.
Foto-CO₂ Collaborative Regulation: Vytvorenie systému, ktorý spája množstvo svetla a oxidu uhličitého vo vzduchu s cieľom lepšie využiť svetelnú energiu.
Vesmírne poľnohospodárske aplikácie: Vytvorte jedinečné spektrálne riešenie pre atmosféru Marsu, ktoré obsahuje 95 % CO₂, aby ste zaistili potravinovú bezpečnosť pri prieskume hlbokého vesmíru.
6. Príklady zo skutočného-života a finančné zisky
Pestovanie paradajok v Shandong Shouguang: So systémom LED, ktorý mal pomer červeného-modrého svetla 8:1, sa počet plodov na rastline zvýšil z 12 na 18, obsah cukru sa zvýšil o 1,5 stupňa a výstupná hodnota na aker bola viac ako 500 000 juanov.
Kvetinová základňa Yunnan: Použitím modrého svetla na zmenu hrúbky stoniek ruží sa percento kvetov úrovne A- zvýšilo zo 65 % na 82 % a cena za jednotku na export sa zvýšila o 30 %.
Uprostred púštneho skleníka Mongolska: Keď je v zime -20 stupňov, LED svetlá pomáhajú uhorkám rásť 2,3-krát viac ako v bežných skleníkoch a o 40 % lepšie využívajú vodu a hnojivo.
