Elektronika w uprawie roślin

Sobota, 01 Kwiecień 2023

Uprawa roślin na dużą skalę to dziedzina rolnictwa, która dziś stoi przed ogromnymi wyzwaniami. Niebezpieczne czynniki środowiskowe, takie jak zmieniający się klimat i nasilające się susze, łączą się z niekorzystnymi czynnikami społecznymi, do których zaliczamy zmniejszanie powierzchni żyznych gruntów uprawnych, rosnące koszty dostaw, niedobór siły roboczej, a także zmiany preferencji konsumentów. Dlatego we współczesnym rolnictwie innowacyjne technologie są ważniejsze niż kiedykolwiek wcześniej.

W ciągu ostatnich kilku lat nastąpił ogromny wzrost inwestycji w nowoczesne rolnictwo. Główne obszary rozwoju dotyczyły takich zagadnień, jak rolnictwo pionowe w pomieszczeniach (Indoor vertical farming), nowoczesne praktyki szklarniowe oraz automatyzacja w uprawie roślin (rysunek 1). W artykule omówimy technologie oświetleniowe, które stały się kluczowe dla tych dziedzin.

Rysunek 1. Wzrost inwestycji w nowoczesne rolnictwo na przestrzeni ostatnich lat

Vertical farming - korzyści i wymagania technologiczne

W uprawie roślin w pomieszczeniach istotne stało się nie tylko maksymalne wykorzystanie dostępnej powierzchni, ale też całej przestrzeni. Tak powstała idea vertical farming - co dosłownie znaczy pionowe rolnictwo. Stosowanie tego rozwiązania pomaga przezwyciężyć problem z ograniczonym obszarem gruntów, pozwala zwiększyć plony, a także zmniejsza wpływ rolnictwa na środowisko.

Hodowlę pionową w pomieszczeniach można zdefiniować jako praktykę uprawy produktów ułożonych jeden na drugim w zamkniętym i kontrolowanym środowisku (fotografia 1). Dzięki zastosowaniu regałów uprawowych, montowanych pionowo, znacznie zmniejsza się ilość powierzchni potrzebnej do uprawy roślin w porównaniu z tradycyjnymi metodami uprawy. Ten rodzaj uprawy jest często kojarzony z rolnictwem miejskim ze względu na jego zdolność do rozwoju na ograniczonej przestrzeni.

Fotografia 1. Realizacja idei vertical farming - pionowe rolnictwo

Farmy wertykalne są wyjątkowe - niektóre konfiguracje nawet nie wymagają gleby do wzrostu roślin. Większość z nich jest albo hydroponiczna - gdzie rośliny są uprawiane w pojemniku z wodą o dużej zawartości składników odżywczych, albo aeroponiczna - gdzie korzenie roślin są systematycznie spryskiwane wodą i składnikami odżywczymi. Zamiast naturalnego światła słonecznego stosuje się sztuczne oświetlenie.

Zalety pionowego rolnictwa w pomieszczeniach są nieocenione. Takie farmy zużywają do 70% mniej wody niż farmy tradycyjne, maksymalizują plony przy obniżonych kosztach pracy oraz przyczyniają się do zrównoważonego rozwoju obszarów miejskich. Dzięki kontrolowaniu kluczowych czynników - światła, wody i powietrza - proces uprawy jest niezależny od pogody oraz możliwy przez cały rok. Nakład pracy jest znacznie zmniejszony dzięki automatyzacji wielu czynności i użyciu robotów do obsługi zbiorów, sadzenia i logistyki. W związku z obecnym niedoborem siły roboczej w branży rolniczej jest to niezwykle istotna cecha.

Kluczem do powodzenia w uprawie roślin jest zapewnienie odpowiednich warunków. Wymagana jest właściwa gleba lub inny sposób dostarczania wody i składników odżywczych, odpowiednia ilość wody, właściwa temperatura, ale przede wszystkim optymalne oświetlenie.

Parametry oświetlenia dla roślin

Rośliny wytwarzają substancje potrzebne do ich rozwoju w wyniku fotosyntezy. Wbrew pozorom jest to skomplikowany i wieloetapowy proces, jednak w głównej mierze zależy od 3 czynników: światła, parametrów powietrza (zwłaszcza wilgotności i temperatury) i parametrów gleby (wilgotności i zawartości substancji odżywczych). W warunkach uprawy pionowej w pomieszczeniach szczególnie istotne dla wzrostu roślin są parametry oświetlenia.

PPF i PPFD

Pierwszym parametrem określającym niejako intensywność światła, ale w ujęciu bardziej odpowiednim do uprawy roślin, jest PPF (Photosynthetic Photon Flux). PPF określa całkowitą ilość światła produkowanego przez źródło światła w trakcie każdej sekundy, czyli mówi nam, jak dużo promieniowania fotosyntetycznie czynnego jest emitowane przez źródło światła w ciągu sekundy. Parametr jest wyrażany w μmol/s (mikromolach na sekundę).

Jednak PPF nie mówi, ile energii dociera do powierzchni rośliny. Właściwą jednostką w tym wypadku jest PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density), pomiar określający ilość światła, które dociera do rośliny. Zatem PPFD określa liczbę fotosyntetycznie aktywnych fotonów padających na określoną powierzchnię w ciągu sekundy. Parametr jest wyrażany w μmol/m2/s (mikromolach na metr kwadratowy na sekundę). Parametr PPFD jest określany poprzez pomiary na powierzchni rośliny (lub jakiejkolwiek innej powierzchni).

DLI

Kolejny parametr to miara określająca całkowitą ilość światła docierającego do rośliny w ciągu dnia - DLI (Daily Light Integral). Plantator może określać ten współczynnik jako dzienną dawkę światła dostarczonego do rośliny. Zatem DLI określa całkowitą liczbę moli fotonów na metr kwadratowy na dzień i jest wyrażany jako mol/m2/D. Naturalnie im dłużej będzie działało światło, tym więcej roślina go zaabsorbuje i tym samym system z niższym współczynnikiem PPF może dostarczyć tyle samo DLI roślinie, co system z większym współczynnikiem PPF, jeśli cykl dnia/nocy jest dłuższy. DLI jest najważniejszą jednostką określającą tempo wzrostu rośliny. Rośliny mają wyznaczone optymalne wartości DLI dla różnych etapów wzrostu oraz kwitnienia. Na ich podstawie dobiera się źródło światła - intensywność i widmo oraz czas oświetlenia.

Widmo i PAR

Uprawiane rośliny wymagają dużej intensywności i szerokiego, ale zrównoważonego spektrum światła. Rośliny wykorzystują energie świetlną do procesu fotosyntezy, który w dużym skrócie polega na przekształcaniu energii świetlnej w energię chemiczną, zużywaną przez rośliny do wzrostu i owocowania. Proces ten jest możliwy dzięki dwóm typom chlorofilu obecnym w roślinach.

Chlorofil A jest najszerzej występującym pigmentem fotosyntetycznym i pochłania fioletowe, niebieskie i czerwone barwy w widmie widzialnym. Uczestniczy przede wszystkim w fotosyntezie tlenowej - w której tlen jest głównym produktem ubocznym procesu. Wszystkie tlenowe organizmy fotosyntetyzujące zawierają ten typ chlorofilu. Są to prawie wszystkie rośliny i większość bakterii.

Chlorofil B absorbuje przede wszystkim światło niebieskie i jest używany do uzupełnienia widma absorpcji chlorofilu A poprzez rozszerzenie zakresu długości fal światła, które organizm fotosyntetyzujący jest w stanie wchłonąć. Nie wszystkie organizmy fotosyntetyzujące mają chlorofil B.

Oba rodzaje chlorofilu działają wspólnie, aby umożliwić maksymalną absorpcję w widmie światła dziennego. Występują także pigmenty pomocnicze - karotenoidy, obecne w wielu organizmach fotosyntetyzujących, które zwiększają gównie absorpcję światła zielonego. Przybliżoną zdolność absorpcji tych 3 struktur pokazuje rysunek 2. Na bazie tych informacji został określony zakres widma światła, którego roślina używa do fotosyntezy, nazywa się PAR (Photosynthetic Active Radiation) i mieści się w zakresie długości fali od 400 do 700 nm.

Rysunek 2. Przybliżona zdolność absorpcji światła przez chlorofil obecny w roślinach

Krzywa McCree

Nie całe światło z zakresu PAR prowadzi do intensywnej fotosyntezy. Dla dokładnego zobrazowania całego widma pod tym względem powstała tzw. krzywa McCree (rysunek 3), nazywana czasami krzywą wrażliwości roślin (Plant Sensitivity Curve). Na wykresie widać, że chlorofil wykorzystuje zwłaszcza dwa zakresy PAR - niebieski (ok. 450 nm) oraz czerwony (ok. 640 nm). Kluczową sprawą, oprócz dobrania odpowiednich długości fali, jest odpowiednia dobrana proporcja światła czerwonego do niebieskiego. Oczywiście inne długości spektrum PAR są również potrzebne roślinom, jednak fotosynteza zachodzi najintensywniej w świetle niebieskim i czerwonym.

Rysunek 3. Krzywa McCree z zaznaczonym zakresem widma PAR

Specyficzny kształt krzywej doprowadził do kilku nieporozumień, m.in. do twierdzenia, że zielone światło nie jest ważne. Z wykresu wyraźnie widać, że fotosynteza w zielonej części jest nieco niższa, ale z pewnością nie zerowa. Wszystkie długości fal mają swoją funkcję, wbrew temu, co kiedyś sądzono.

Rośliny wykorzystują światło do dwóch rzeczy: fotosyntezy i fotomorfogenezy (kontrola kształtu i rozwoju). Do fotosyntezy potrzeba dużo światła o barwie czerwonej i niebieskiej, natomiast do prawidłowego wzrostu i kwitnienia roślin najlepiej sprawdzają się lampy o pełnym spektrum, czyli takie, które emitują przede wszystkim światło niebieskie i czerwone oraz w minimalnym stopniu światło zielone, żółte, a także podczerwone i ultrafioletowe. Zatem zakres fotomorfogenezy jest nieco szerszy i powinien zaczynać się nawet od ok. 350 nm (światło UV), a kończyć w pobliżu 750 nm (daleka czerwień).

Ten rozszerzony zakres jest określany jako ePAR (Extended Photosynthetically Active Radiation) (rysunek 4).

Rysunek 4. Rozszerzony zakres widma PAR-ePAR

Nowe zakresy widm spowodowały zwiększenie odporności na choroby i zwiększenie biomasy roślin. Najpewniej powstaną jeszcze inne standardy, zoptymalizowane do różnych cyklów wzrostu - wegetacji i kwitnienia, które wymagają różnych widm, aby zmaksymalizować proces fotosyntezy.

Źródła światła dla roślin

W ostatnich latach na rynek oświetlenia do uprawy roślin została wprowadzona technologia LED. Ma ona wiele zalet, ale nie jest jedynym stosowanym rozwiązaniem. Często insalowanymi źródłami światła do użytku profesjonalnego są lampy HID i świetlówki. Natomiast hodowcy kwiatów i warzyw używają jeszcze wysokoprężnych lamp sodowych (HPS/SON) i metalohalogenkowych (MH). Porównamy parametry i cechy tych źródeł światła.

Żarówki wyładowcze dużej intensywności HID

Lampy HID to lampy wyładowcze (High Intensity Discharge Lamp), które charakteryzują się wysoką wydajnością w odniesieniu do pobieranej energii. Opracowano kilka typów lamp HID o różnych mocach, zwykle w zakresie od 150...1000 W. Chociaż wszystkie działają na tej samej zasadzie, różne typy żarówek mają różne wymagania dotyczące rozruchu i napięcia, a także różne właściwości operacyjne i kształt fizyczny. Z tego powodu żarówka nie będzie działać prawidłowo bez odpowiedniego statecznika. Wśród dostępnych typów lamp HID znajdują się lampy rtęciowe, metalohalogenkowe (MH), sodowe o wysokim ciśnieniu (HPS).

Żarówka MH

Żarówki metalohalogenkowe (Metal Halide) to rodzaj żarówek HID, które emitują światło intensywniejsze w niebieskiej i fioletowej części widma. Są szeroko stosowane w przemyśle ogrodniczym i doskonale nadają się do wspomagania roślin we wcześniejszych stadiach rozwojowych, ponieważ wpływają na rozrost silniejszych korzeni, lepszą odporność na choroby i bardziej zwarty wzrost. Niebieskie spektrum światła sprzyja zwartemu, liściastemu wzrostowi i jest dostosowane do uprawy roślin wegetatywnych z dużą ilością listowia. Światło naśladuje spektrum kolorów słońca i nie zniekształca kolorów.

Dlatego żarówki MH stosuje się często przy roślinach ozdobnych, gdzie istotny jest ich naturalny kolor.

Żarówka metalohalogenkowa wytwarza 60...125 lumenów/wat, w zależności od mocy żarówki. Należy wymieniać je mniej więcej raz w roku. Obecnie produkowane są do stateczników cyfrowych w wersji z rozruchem impulsowym, które charakteryzują się wyższą sprawnością elektryczną (do 110 lumenów na wat) i szybszym nagrzewaniem. Żarówki metalohalogenkowe mogą mieć dowolne widmo od ciepłej bieli (3000 K) do zimnej bieli (7000 K), a nawet do intensywnego ultrafioletu (10 000 K).

Fotografia 2. Żarówka MH o mocy 400 W

Przykładową żarówkę MH pokazano na fotografii 2, jej parametry to: moc: 400 W; PPF: 447 μmol/s; temperatura barwowa: 14000 K; żywotność 8000 godzin; rozkład widmowy został pokazany na rysunku 5.

Rysunek 5. Widmo światła żarówki MH

Ceramiczny halogenek metalu CMH

Lampy CMH (Ceramic Metal Halide) są stosunkowo nowym rodzajem oświetlenia HID, określanym także jako CDM (Ceramic Discharge Metal Halide). Ceramiczne lampy metalohalogenkowe są uruchamiane za pomocą rozrusznika impulsowego, podobnie jak inne MH, ale są od nich o ok. 10...20% bardziej wydajne. Zastosowanie ceramicznej rurki łukowej zamiast kwarcowej umożliwia pracę przy wyższej temperaturze, co skutkuje lepszą skutecznością, lepszym oddawaniem kolorów i długą żywotnością, na poziomie 24 000 godzin.

Fotografia 3. Żarówka CMH o mocy 315 W

Przykładową żarówkę CMH pokazano na fotografii 3, jej parametry to: moc: 315 W; PPF: 524 μmol/s; temperatura barwowa: 4000 K; żywotność 15000 godzin; rozkład widmowy został pokazany na rysunku 6.

Rysunek 6. Widmo światła żarówki CMH

Żarówka HPS

Wysokoprężne lampy sodowe HPS (High Pressure Sodium) są bardziej wydajnym typem oświetlenia HID niż metalohalogenki MH, wytwarzają 60...140 lumenów/wat. Emitują światło w odcieniu żółtoczerwonym, a także małe porcje wszystkich innych widzialnych świateł. Ponieważ światła HPS przeznaczone do uprawy dostarczają więcej energii w czerwonej części widma światła, mogą wpływać korzystnie na kwitnienie i owocowanie. Rośliny uprawiane pod lampami HPS mają tendencję do wydłużania się z powodu braku promieniowania niebieskiego/ultrafioletowego. Nowoczesne ogrodnicze lampy HPS mają znacznie lepiej dostosowane widmo do wzrostu roślin. Większość lamp HPS, zapewniając dobry wzrost, oferuje niski wskaźnik oddawania barw (CRI). W rezultacie żółtawe światło HPS może utrudniać monitorowanie stanu roślin w pomieszczeniach.

Wysokoprężne lampy sodowe charakteryzują się długą żywotnością i sześciokrotnie większą mocą świetlną na wat zużytej energii niż standardowe żarówki do uprawy. Ze względu na ich wysoką wydajność są preferowanym dodatkowym oświetleniem szklarniowym (ponieważ rośliny uprawiane w szklarniach uzyskują w naturalny sposób tyle niebieskiego światła, ile potrzebują). Jednak na wyższych szerokościach geograficznych są okresy w roku, w których światło słoneczne jest rzadkie i dla prawidłowego wzrostu wskazane są dodatkowe źródła światła.

Fotografia 4. Żarówka HPS o mocy 400 W

Światła HPS mogą powodować charakterystyczne sygnatury w podczerwieni, które mogą przyciągać owady lub inne szkodniki. Wysokoprężne lampy sodowe emitują dużo ciepła, co może powodować problemy z utratą wilgotności powietrza i gleby. Często połączone są ze specjalnymi chłodzonymi powietrzem odbłyśnikami lub obudowami. Przykładową żarówkę HPS pokazano na fotografii 4, jej parametry to: moc: 400 W; PPF: 725 μmol/s; temperatura barwowa: 2100 K; żywotność do 30000 godzin; rozkład widmowy został pokazany na rysunku 7.

Rysunek 7. Widmo światła żarówki HPS

Połączenie HPS+MH - Dual arc

Lampy kombinowane HPS+MH łączą dwa rozwiązania w tej samej żarówce, zapewniając zarówno czerwone, jak i niebieskie widmo światła jednocześnie. Pozwala to na stosowanie jednego źródła przez cały cykl życia rośliny, od wzrostu wegetatywnego po kwitnienie. Lampa Dual Arc jest wszechstronną lampą do uprawy, łatwą w zastosowaniu i zapewnia dobre rezultaty, dlatego jest polecana początkującym hodowcom.

Fotografia 5. Żarówka typu Dual Arc - HPS+MH

Przykładową żarówkę HPS+MS pokazano na fotografii 5, łączy ona źródło HPS o mocy 600 W HPS oraz źródło MH o mocy 400 W i pozwala uzyskać 110 000 lumenów. Rozkład widmowy został pokazany na rysunku 8.

Rysunek 8. Widmo światła żarówki typu Dual Arc - HPS+MH

Lampy fluorescencyjne i CFL

Działanie lampy fluorescencyjnej polega na tym, że prąd elektryczny przepływający w gazie wzbudza opary rtęci, które wytwarzają krótkofalowe światło ultrafioletowe, które następnie powoduje świecenie powłoki luminoforowej po wewnętrznej stronie szkła lampy. Nowsze modele wymagają specjalnego układu zasilającego - statecznika. Typowa skuteczność świetlna wynosi 50...100 lumenów na wat. Lampy fluorescencyjne potocznie nazywane świetlówkami mają wiele cech, które kwalifikują je do zastosowań w uprawie roślin. Przede wszystkim pochłaniają dużo mniej energii elektrycznej niż np. lampy sodowe, a ich żywotność jest naprawdę długa. Istotna jest też ich niewysoka cena. Oczywiście takie rozwiązanie nie jest bez wad, gdyż oświetlenie CFL ma dość niską moc światła, a co za tym idzie, nie będzie nadawało się do wszystkich rodzajów upraw.

Fotografia 6. Lampy fluorescencyjne w kształcie rurek

Dwa popularne rodzaje lamp fluorescencyjnych stosowanych w roślinach domowych to lampy w kształcie rurek nazywane T5, T8 i T12 (fotografia 6) oraz kompaktowe lampy fluorescencyjne (CFL), które są dostępne z gwintami do popularnych opraw E14 i E27 (fotografia 7).

Fotografia 7. Świetlówka kompaktowa do uprawy roślin

Lampy CFL doskonale nadają się do ukorzeniania sadzonek i w początkowej fazie wzrostu. Energooszczędne i niedrogie, generują bardzo mało ciepła, co jest szczególnie korzystne w małych pomieszczeniach uprawowych. Ponadto ich żywotność jest długa - wynosi ponad 23 000 godzin.

Świetlówki kompaktowe nie emitują równomiernego spektrum. Emitują światło o określonej temperaturze barwowej, która wskazuje na odcień wytwarzanego przez nie światła. Niski poziom temperatury barwowej daje cieplejszy, żółtopomarańczowy kolor, a wysoki oznacza, że emisja ma chłodniejszy, niebieskawy odcień. Widmo świetlówki o temperaturze barwowej 8500 K przeznaczonej do uprawy roślin, zostało pokazane na rysunku 9.

Rysunek 9. Widmo światła świetlówki o temperaturze barwowej 8500 K przeznaczonej do uprawy roślin

Oświetlenie LED

Najnowocześniejszy i najbardziej popularny sposób oświetlania roślin, zarówno w małych domowych uprawach, jak i plantacjach przemysłowych, to oświetlenie LED. Lampy LED do upraw roślin mają dużą przewagę nad innymi rozwiązaniami i można je stosować do różnych upraw. Zużywają bardzo mało prądu w stosunku do mocy emitowanego światła, mają długą żywotność i większość modeli oferuje pełne spektrum światła, które jest najbardziej zbliżone do światła naturalnego. Lampy ledowe są dostępne jako pojedyncze żarówki, taśmy ledowe, świetlówki pasujące do standardowych opraw oraz w formie podwieszanych paneli.

Nie każda dioda LED oferuje optymalne widmo światła. Większość komercyjnych diod LED wytwarza światło widzialne, które zapewnia pozytywną stymulację ludzkiego oka, zwiększa czujność i poprawia nastrój, gdy ich światło jest używane w godzinach dziennych. Bazują one na niebieskich strukturach LED, a uzupełnienie widma uzyskiwane jest dzięki zastosowaniu dodatkowych luminoforów (rysunek 10). Taka konstrukcja odpowiada za niebieskie przeskalowanie w widmie światła diod LED, które może powodować negatywne efekty. Gdy człowiek jest pod ich wpływem przez dłuższy czas w godzinach nocnych, zakłóca naturalny biorytm.

Rysunek 10. Różnice w budowie i widmie standardowej diody LED oraz diody typu SunLike

Zbliżenie widma sztucznego oświetlenia LED do światła naturalnego minimalizuje braki sztucznych źródeł światła. Takie naturalne widmo światła (tzw. SunLike) zostało uzyskane np. dzięki technologii TRI-R (rysunek 10), która zawiera fioletowe struktury LED w połączeniu z trzema luminoforami. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe staje się wytwarzanie światła o widmie odpowiadającym zdrowemu naturalnemu światłu dziennemu.

Fotografia 8. Budowa panelu LED z zamontowanymi diodami o różnych barwach

Główną różnicą między światłami LED do uprawy a zwykłymi światłami LED jest szerokość i kształt widma światła. Oświetlenie dla roślin wymaga szerszego spektrum długości fal niż oświetlenie zapewniające komfort widzenia i samopoczucia oraz wymaga uwydatnienia pewnych barw. Gotowe panele LED zawierają najczęściej wiele diod o różnych barwach od UV do IR (fotografia 8), które umożliwiają precyzyjne kształtowanie widma. Przykładowy panel został pokazany na fotografii 9, a jego widmo zostało pokazane na rysunku 11.

Fotografia 9. Panel LED przeznaczony do uprawy roślin

Budując oświetlenie do uprawy roślin w pomieszczeniach za pomocą diod, można wytworzyć określone widmo światła. NASA przetestowała lampy LED do uprawy pod względem ich wysokiej skuteczności w produkcji żywności w kosmosie dla pozaziemskiej kolonizacji.

Rysunek 11. Widmo światła panelu LED przeznaczonego do uprawy roślin

Podsumowanie

Branża uprawy roślin stoi przed ogromnymi wyzwaniami wynikającymi z szeregu czynników środowiskowych i społecznych. Zmieniający się klimat, coraz mniejsze zasoby wody i rozrastające się miasta zajmujące najlepsze grunty pod uprawę. Dodatkowo rosnąca globalna populacja wymaga wyprodukowania odpowiednich zapasów żywności. W rezultacie na całym świecie powstają innowacyjne technologie, które pozwalają uprawiać rośliny w miejscach, których można by się nie spodziewać - w zamkniętych halach, pod ziemią, na dachach miast, w pojemnikach bez ziemi. Wszystko to zbliża nas także do uprawie roślin w kosmosie!

Damian Sosnowski, EP

Bibliografia: