1. کد طیفی فتوسنتز در گیاهان
کلروپلاست ها دارای فتوسیستم I و II هستند که در مورد طیف هایی که برای تبدیل انرژی نور به انرژی شیمیایی استفاده می کنند بسیار حساس هستند. کلروفیل a/b نور را در نوارهای 660 نانومتری قرمز و آبی 450 نانومتری جذب می کند. این باندها بیش از 90 درصد از تبدیل انرژی نور را تشکیل می دهند. کاروتنوئیدها به جذب نور آبی بنفش بین 400 تا 500 نانومتر کمک میکنند و سیستمی را ایجاد میکنند که دو نوع نور را جذب میکند. وقتی میزان نور قرمز 80 درصد باشد، آزمایشها نشان میدهند که میزان فتوسنتز در گوجهفرنگی میتواند 50 درصد افزایش یابد و وزن یک میوه منفرد میتواند بین 14 تا 30 درصد افزایش یابد. پایه کاشت گل رز یوننان از نور آبی استفاده می کند تا ساقه ها را 20٪ ضخیم تر و گلبرگ ها را 35٪ از نظر رنگ ثابت تر کند.
گیاهان می توانند تا 60 درصد نور سبز (520 تا 610 نانومتر) را منعکس کنند، با این حال این نور می تواند کارایی فتوسنتزی برگ های پایینی را تا 18 درصد پس از عبور از تاج افزایش دهد. آزمایش میتسوبیشی شیمیایی در ژاپن نشان داد که افزودن 5 درصد نور سبز به نور مرکب آبی قرمز، تولید کاهو را تا 12 درصد افزایش داد. این مشکل از دست دادن نور در کاشت با تراکم بالا را حل کرد. "اثر سایه" نور قرمز دور (730 نانومتر) رشد ساقه ها را متوقف می کند و جوانه های گل را تشویق به تمایز می کند. این می تواند باعث شود که مرحله باردهی در تولید توت فرنگی 7 تا 10 روز بیشتر طول بکشد.
2. انقلاب طیفی فناوری LED
سه مشکل عمده با منابع نور سنتی این است که لامپهای سدیم با فشار بالا تنها 12 درصد انرژی الکتریکی را به تشعشع فعال فتوسنتزی تبدیل میکنند، طیف لامپهای فلورسنت تا 40 درصد از نیاز گیاهان کم میشود، و لامپهای متال هالید تابش مادون قرمز بسیار دور{{3} منتشر میکنند که باعث رشد سریع گیاهان میشود. و LED با ارائه مواد نیمه هادی جدید، سفارشی سازی دقیق طیف را ممکن کرده است:
فناوری تراشه نوری تک رنگ: به لطف ترکیب مواد InGaN/GaN میتواند طیفهای بکر را با خطای اوج طول موج ± 2 نانومتر ارسال کند. Osram در آلمان تراشه های سری OSLON Square را می سازد که 300٪ کارآمدتر از منابع نور معمولی در باند نور قرمز 660 نانومتری هستند.
کنترل طیفی پویا: با استفاده از فناوری اینترنت اشیا، سیستم Philips GrowWise نسبت های طیفی را بر اساس مراحل رشد گیاهان تغییر می دهد. برای جلوگیری از طویل شدن هیپوکوتیل، مقدار نور آبی در مرحله گیاهچه به 30 درصد افزایش می یابد. برای کمک به تمایز جوانه های گل، مقدار نور قرمز در مرحله گلدهی به 85 درصد افزایش می یابد. استفاده از نور قرمز دور در طول دوره باردهی باعث بزرگتر شدن میوه می شود.
پیشرفت در مدیریت گرما: استفاده از بسترهای سرامیکی و تکنیک های خنک کننده مایع برای نگه داشتن دمای LED ها زیر 45 درجه. 60% گرمای کمتری نسبت به منابع نور معمولی تولید میکند، بنابراین چراغها را میتوان تنها در فاصله 15 سانتیمتری تاجپوش گیاه قرار داد و تا 4 برابر بهتر از فضا استفاده کرد.
3. "عصر کنترل شده با نور" کشاورزی
گلخانه هوشمند در شوگوانگ، شاندونگ، از چراغ های LED برای کمک به رشد گوجه فرنگی استفاده می کند. این فناوری سالانه 60 کیلوگرم در متر مربع گوجه فرنگی تولید می کند که سه برابر بیشتر از روش های سنتی است. کاشت "قفسه های سه بعدی" با استفاده از نسبت 6:1 نور قرمز و آبی امکان پذیر است. این امر بازده خروجی در واحد سطح را تا 500 درصد افزایش می دهد. گلخانه بیابانی در مغولستان داخلی 4 تا 6 ساعت نور اضافی در روز در روزهای ابری و برفی (با شدت 200 میکرومول بر متر مربع · ثانیه) به خیارها می دهد. این باعث می شود خیارها 25 درصد بیشتر از حد معمول رشد کنند که مشکل بهره وری پایین در هوای بد را حل می کند.
فناوری ال ای دی در حال تغییر نحوه ساخت وسایل در حوزه کارخانه های کارخانه است. شرکت Mirai در ژاپن از چراغهای LED با طیف کامل (شامل UV{1}}380 نانومتر و نور قرمز دور 730 نانومتر) برای افزایش محتوای ویتامین C کاهو تا 18 درصد و سطح آنتوسیانین تا 25 درصد استفاده میکند. با کنترل دوره نوری (16 ساعت نور قرمز و 8 ساعت تاریکی)، مدت زمان رسیدن توت فرنگی به یک سوم زمان لازم برای کاشت منظم کاهش می یابد. این بدان معنی است که توت فرنگی در تمام طول سال در دسترس است.
4. تغییرات در تکنولوژی و روند در صنعت
روشنایی کارخانه LED فعلی اکنون در مرحله سوم توسعه خود است:
LED نقطه کوانتومی: استفاده از مواد نانو کریستالی برای دستیابی به قابلیت تنظیم طیفی پیوسته در محدوده کامل طول موج از 380 تا 850 نانومتر، با بازده نوری بیش از 4 میکرومول در ژول.
سیستم بیوفیدبک: یک حسگر فلورسانس کلروفیل که در آن تعبیه شده است، نظارت بر زمان واقعی بازده فتوشیمیایی واقعی PSII و بهینهسازی دینامیکی فرمول نور.
مدلسازی محیط نور با هوش مصنوعی: با استفاده از تکنیکهای یادگیری عمیق، یک مدل دیجیتالی دوقلو از محیط طیف رشد گیاه ایجاد کنید تا بتوانید پیشبینی و کنترل دقیقی انجام دهید.
MarketsandMarkets میگوید که بازار جهانی روشنایی کارخانهها با نرخ 22.5 درصد در سال افزایش مییابد و تا سال 2027 به 18.6 میلیارد دلار میرسد. چین بزرگترین تولیدکننده است و یک زنجیره صنعتی کامل ایجاد کرده است که از ساخت تراشهها به ترکیب کردن سیستمها میرود. شرکتهایی مانند هواوی و سنان اپتوالکترونیکس برای استفاده از راهحلهای کشاورزی هوشمند 5G+LED تلاش میکنند.
5. مشکلات و اقدامات بعدی
حتی با وجود اینکه فناوری همیشه در حال بهتر شدن است، این بخش هنوز سه مشکل بزرگ دارد:
هزینه اولیه: کسب و کارهای کوچک و متوسط{0}} کمتر از سیستم های LED با طیف کامل استفاده می کنند زیرا 3 تا 5 سال طول می کشد تا نتیجه دهند.
بدون استاندارد: هیچ سیستم گواهینامه جهانی برای فرمول سبک وجود ندارد که در صورت استفاده نتایج متفاوتی را به همراه دارد.
گلوگاه بازده انرژی: راندمان تبدیل فوتوالکتریک در باند نور قرمز دور (700 تا 800 نانومتر) کمتر از 60 درصد در نور قرمز است. این بدان معنی است که علم مواد نیاز به پیشرفت های بزرگ دارد.
این صنعت در پنج سال آینده بر سه حوزه اصلی نوآوری تمرکز خواهد کرد:
ویرایش ژن طیف: استفاده از فناوری CRISPR برای رشد انواع محصولاتی که به طیفهای خاصی پاسخ بهتری میدهند.
عکس{0}}مقررات مشارکتی CO2: ایجاد سیستمی که میزان نور و دی اکسید کربن موجود در هوا را برای استفاده بهتر از انرژی نور به هم مرتبط میکند.
کاربردهای کشاورزی فضایی: یک راه حل طیف منحصر به فرد برای جو مریخ، که 95٪ CO2 است، ایجاد کنید تا از امنیت غذایی برای اکتشافات اعماق فضا اطمینان حاصل کنید.
6. نمونههای{1}}زندگی واقعی و دستاوردهای مالی
کاشت گوجه فرنگی در شاندونگ شوگوانگ: با یک سیستم LED که دارای نسبت نور قرمز-آبی 8:1 بود، تعداد میوه در هر بوته از 12 به 18، میزان قند 1.5 درجه افزایش یافت و ارزش خروجی در هر هکتار بیش از 500000 یوان بود.
پایه گل یوننان: با استفاده از نور آبی برای تغییر ضخامت ساقههای رز، درصد گلهای سطح A از 65% به 82% و قیمت هر واحد صادراتی 30% افزایش یافته است.
در وسط گلخانه صحرای مغولستان: هنگامی که هوا در زمستان -20 درجه است، چراغ های LED به رشد خیارها 2.3 برابر بیشتر از گلخانه های معمولی کمک می کند و تا 40 درصد بهتر از آب و کود استفاده می کنند.
