آیا گیاهان آکواریومی با چراغ های LED رشد می کنند؟

1. مبنای فنی: ارتباط کوانتومی بین نور و آب (1) حد فیزیکی نفوذ طیفی
آب در مورد اینکه کدام طیف را جذب می کند بسیار انتخابی است. نور آبی (450 تا 480 نانومتر) بیشترین نفوذ را دارد و در عمق 50 سانتی متری با ضریب عبور 75 درصد باقی می ماند. نور سبز (500-570 نانومتر) با ضریب عبور حدود 40 درصد دوم است. نور قرمز (620-680 نانومتر) در عمق 20 سانتی متری تا 30 درصد محو می شود. به همین دلیل است که گیاهانی که در زیر آب در آب‌های طبیعی رشد می‌کنند آبی-سبز به نظر می‌رسند: فقط نور آبی-سبز می‌تواند از سد آب عبور کند و توسط کلروفیل جذب شود. تکنولوژی LED با کنترل دقیق خروجی طیفی بر محدودیت های فیزیکی نور طبیعی غلبه می کند.

(2) کدگذاری طول موج برای فتوسنتز
اثر هم افزایی کلروفیل a/b و کاروتنوئیدها چیزی است که باعث می شود فتوسنتز در گیاهان کار کند. کلروفیل a 90 درصد نور قرمز را در 660 نانومتر جذب می کند، کلروفیل b 85 درصد نور آبی را در 430 نانومتر جذب می کند و کاروتنوئیدها به جذب نور در محدوده 400 تا 550 نانومتر کمک می کنند. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که استفاده از منبع نور LED با نسبت 1:1 نور قرمز 660 نانومتری به نور آبی 450 نانومتری می‌تواند نرخ فتوسنتز گیاهان آبزی را در مقایسه با نور سفید تا 27 درصد افزایش دهد و محتوای کلروفیل را تا 15 درصد افزایش دهد.

(3) مکانیسم مولکولی که شکل نور را کنترل می کند
گیاهان آبزی از فیتوکروم و کریپتوکروم برای حس نور استفاده می کنند. نور قرمز (660 نانومتر) شکل رنگدانه حساس به نور Pr را به Pfr تغییر می دهد که رشد ساقه ها را متوقف می کند و شروع به توسعه کلروپلاست می کند. نور قرمز دور (730 نانومتر) برعکس عمل می کند. کریپتوکروم نور آبی را تشخیص می دهد و باز و بسته شدن روزنه ها و چرخه های شبانه روزی را کنترل می کند. این مکانیسم تنظیم نور مولکولی{6}}به گیاهان آبزی اجازه می‌دهد تا نحوه رشد خود را بسته به میزان نور تغییر دهند.

2. استفاده از تکنولوژی LED در آب: از آزمایشگاه تا بازار
(1) بازسازی اکولوژی آکواریوم های تجاری
آکواریوم SEA در سنگاپور از یک سیستم روشنایی LED لایه ای استفاده می کند. لایه بالایی (مانند انجیر آب) از یک طیف نور آبی 450 نانومتری برای کمک به تمایز جوانه های جانبی استفاده می کند. لایه میانی (مانند تاج آهنی) از نسبت 1:2 نور قرمز 660 نانومتری و نور آبی 450 نانومتری برای کمک به سنتز کلروفیل استفاده می کند. لایه زیرین (مانند خزه) از نور قرمز دور 730 نانومتری برای کنترل ریتم رشد استفاده می کند. در مقایسه با روشنایی معمولی، این فناوری زیست توده گیاهان آبزی را تا 40 درصد افزایش می دهد و خطر شکوفه های جلبکی را تا 65 درصد کاهش می دهد.

(2) به روز رسانی هوشمند برای آکواریوم های خانگی
چراغ آکواریوم هوشمند زنجیره زیست محیطی شیائومی از فناوری‌های اینترنت اشیا برای انجام کنترل دینامیک طیف استفاده می‌کند. برای اینکه گیاهان آبی شروع به فتوسنتز کنند، از طیف طلوع خورشید در صبح تقلید کنید، به طوری که 60 درصد نور آبی در 450 نانومتر است. در ظهر، به حالت طیف کامل (نسبت آبی قرمز 1:1) بروید تا سرعت فتوسنتز را تا حد امکان بالا نگه دارید. برای اینکه به نظر برسد که خورشید در حال غروب است، در شب به نور گرم 2700K (با 70٪ نور قرمز) بروید. آزمایش کاربر نشان می دهد که این روش چرخه رشد گیاهان آبزی را 20 درصد کاهش می دهد و تنها 0.3 یوان در روز به هزینه برق اضافه می کند.

(3) کاربردهای موفقیت آمیز در تحقیقات علمی
موسسه هیدرولوژی در آکادمی علوم چین دریافته است که استفاده از یک سیستم LED سه بانده با نور قرمز 660 نانومتری، نور آبی 430 نانومتری و نور قرمز دور 730 نانومتر می‌تواند میزان نشاسته در علف تلخ را تا 35 درصد و میزان پروتئین را تا 22 درصد افزایش دهد. هنگام رشد جلبک های آب شیرین، استفاده از LED هایی که طول موج های خاصی را ساطع می کنند، تولید بیومس کلرلا را 2.3 برابر در مقایسه با روش های استاندارد و محتوای اسید چرب امگا 3 را تا 18 درصد افزایش داد.

3. مشکلات فنی و راه حل: نحوه شکستن رمزهای عبور فتوسنتزی زیر آب
(1) راهی برای جبران میرایی طیفی
هر 10 سانتی متر عمق آب بیشتر می شود، نور قرمز حدود 40 درصد کمتر می شود. پاسخ این است که از تراشه‌های LED پرقدرت استفاده کنید (مانند سری CREE XP-G3، که بازده نوری 220lm/W دارند)، طراحی فوکوس لنز را اضافه کنید (مانند یک لنز با زاویه 120 درجه واید) و ایجاد یک سیستم روشنایی طبقه‌بندی شده (با مجموعه‌ای از ماژول‌های مستقل از طیف 20 سانتی‌متر). آزمایش‌ها نشان داده‌اند که این مراحل می‌توانند PPFD (چگالی شار فوتون فتوسنتزی) را بالای 150 میکرومول بر متر مربع در ثانیه در عمق 50 سانتی‌متری آب نگه دارند.

(2) راه های جدید برای مدیریت گرما
به ازای هر 10 درجه افزایش دمای اتصال LED، بازده نوری 4 درصد و طول عمر 50 درصد کاهش می یابد. رطوبت بالا (رطوبت نسبی 80 تا 95 درصد) که در محیط های آبی رایج است، خلاص شدن از گرما را حتی دشوارتر می کند. برخی از راه‌حل‌ها برای صنعت عبارتند از: استفاده از تخته‌های مدار چاپی مبتنی بر آلومینیوم-(رسانایی حرارتی بیشتر یا مساوی 2W/m · K). طراحی سیستم های خنک کننده مایع و اتلاف گرما (مانند خطوط لوله خنک کننده آب در گردش). و ساخت مواد تغییر فاز دهنده (مانند مواد کامپوزیت پارافین/گرافیت منبسط شده). آزمایش‌ها نشان داده‌اند که این فناوری‌ها می‌توانند دمای اتصال LED‌ها را زیر 65 درجه و نرخ فروپاشی نور را 0.3 درصد در هر کیلووات ساعت نگه دارند.

(3) مهارت متعادل کردن ایمنی فوتوبیولوژیکی
نور آبی بیش از حد (450-480 نانومتر) می تواند رشد گیاهان آبزی را متوقف کند. مطالعات نشان می دهد که وقتی نور آبی PPFD از 80 میکرومول در متر مربع بر ثانیه فراتر می رود، فعالیت فتوسیستم II در چمن تلخ 15 درصد کاهش می یابد. این رویکرد شامل استفاده از تنظیم طیف پویا (مانند کاهش 40 درصد نور آبی در طول روز) و فناوری مدولاسیون عرض پالس (PWM) (با فرکانس حداقل 1 کیلوهرتز برای حذف سوسو زدن) است. یک محافظ آستانه شدت نور تنظیم کنید که وقتی PPFD از 200 میکرومول در متر مربع بر ثانیه به طور خودکار کاهش می یابد.