О том, что существуют особые лампы, позволяющие ускорить рост растений, известно даже людям, далеким от светотехники. Тем временем, в среде специалистов не утихают дискуссии о том, какой именно спектр свечения в большей степени стимулирует рост растений: специально рассчитанный человеком (при этом значительно отличающийся от белого цвета) или же максимально приближенный к солнечному излучению. Одной из главных тем выставки Light+Building 2018, прошедшей недавно во Франкфурте-на-Майне, стало освещение для сельского хозяйства. Экспозиция выставки показала, что представление о наилучшем спектре для растений кардинально поменялось.
На протяжении нескольких десятилетий для освещения растений в теплицах использовались натриевые лампы высокого давления (ДНаТ). Никаких особых исследований за этим не стояло, просто иного источника со столь высокой светоотдачей тогда не существовало. Точнее, такой источник все же был — натриевые лампы низкого давления. Но он является узкополосным, и уже тогда было понимание, что только одной длины волны в спектре для освещения растений недостаточно. Под ДНаТ сельскохозяйственные культуры растут хорошо, тем не менее, овощи и фрукты, выращенные под таким освещением, значительно уступают по богатству вкуса тем, которые росли на солнце. Тем не менее, прогресс не стоит на месте, и специалисты по светотехнике вместе с агрономами стали искать пути замены натриевых светильников на светодиодные.
Загадка зеленого цвета
В результате прохождения через атмосферу, синяя составляющая солнечного света теряет часть энергии. Поэтому темпы роста сельскохозяйственных культур зависят главным образом от длинноволновой части спектра (красная и оранжевая составляющие), так как именно из нее растения черпают энергию. С другой стороны, синий цвет активизирует многие химические процессы. Отсутствие синей составляющей в спектре ДНаТ является одной из причин того, почему овощи и фрукты из теплиц, где установлены такие лампы, имеют недостаточно насыщенный вкус.
В светодиодных агросветильниках компании Agriluce имеются светодиоды сине-зеленого свечения.
Влияние зеленой составляющей на рост растений на сегодняшний день досконально не изучено. Ясно, что в этой части спектра растения не извлекают значительной части энергии от солнечного света, поскольку зеленый свет отражается от листьев. Существует теория, согласно которой по уровню зеленой составляющей спектра растение обнаруживает наличие конкурентов поблизости. Большой уровень зеленого цвета означает отражение от зеленых листьев, значит, рядом растет соперник за место под солнцем. Предполагается, что зеленая составляющая создана для растения стресс, тем самым угнетая его рост. Хотя, если поступает сигнал о наличии конкурента, значит, наоборот, нужно расти интенсивнее? В пользу необходимости наличия зеленого цвета в спектре говорит и тот факт, что растения за миллионы лет эволюции приспособились именно к солнечному спектру, в который зеленый участок, естественно, входит.
Компания Samsung предлагает светодиоды Horiculture LED, в которых установлены кристаллы белого и красного (одна длина волны) свечения.
Для проверки зависимости влияния спектра освещения на рост растений нужно несколько раз посеять их и снять урожай. Для этого требуется время, которого у первопроходцев светодиодного освещения в 2010 году не было. Зато были вполне реальные проблемы с технико-экономическим обоснованием. По состоянию на 2010 год КПД серийно выпускаемых светодиодов белого свечения не превышал 33%. Причем речь шла о светодиодах с цветовой температурой 6500 K и коэффициентом цветопередачи CRI порядка 60. Такие светодиоды давали хорошо заметный визуально зеленоватый оттенок свечения. То есть, значительная часть мощности излучалась в диапазоне, где растения не извлекают энергию. Также в спектре выпускавшихся тогда белых светодиодов ощутимо не хватало красного цвета. Тогда-то и была взята на вооружение теория о необходимости растению составляющих только красного и синего цветов, а также о якобы «подавляющем рост» воздействии зеленой составляющей. Применение красных и синих светодиодов из асенида галлия и нитрида галлия соответственно без люминофора обеспечило по тем временам высокие значения КПД и надежности. И, главное, светильник получался недорогим (более высокая розничная цена агросветильника по сравнению с обычным светодиодным светильником объясняется только рыночной конъюнктурой).
К растениям неприменимо понятие освещенности, так как эта величина нормирована на спектральную чувствительность человеческого глаза. Вместо освещенности для агросветильников применяется понятие фитосинтетической активной радиации (ФАР), которая обозначает плотность фотосинтетического фотонного потока. В свою очередь, фотосинтетический фотонный поток — суммарное число фотонов, излучаемых за секунду в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм. Единицей измерения ФАР является мкмоль фотонов м-2с-1 или, сокращенно, мкмоль м-2с-1. Иногда используется другой параметр — облученность, который обозначает поверхностную плотность мощности излучения, падающего на поверхность. Измеряется облученность в Вт м-2. Чем выше КПД светильника, тем большую обдученность при той же потребляемой мощности он будет давать. В зарубежной литературе для обозначения агросветильников обычно используется термин Horticultural.
Наука и маркетинг
В итоге у потребителей сформировалось представление о том, что настоящий агротехнический светильник должен состоять из светодиодов красного и синего свечения. Облучения от красных и синих светодиодов соотносятся примерно, как 5:1. Тем не менее достоверных исследований, подтверждающих, что такое сочетание значительно ускоряет рост растений, до сих пор нет. Т.е. растения растут, но насколько быстрее и быстрее ли вообще — статистики нет. Но сине-красные светильники и фитолампы, тем не менее, хорошо продаются, потому что это уже привычное для потребителей решение. Достаточно пройтись вечером по улицам городов и посмотреть, как освещены подоконники у любителей домашних огородов. При этом в реальности светильники на основе красных и синих светодиодов имеют как минимум три недостатка.
Во-первых, растение облучается спектром, имеющим два узкополосных участка. Длина волны серийно выпускаемых AlGaAs светодиодов составляет 620–660 нм. Можно попасть в пик поглощения только хлорофилла B, уровень поглощения хлорофилла B далек от локального максимума. Наиболее массовым типом синего светодиода является светодиод с длиной волны 450 нм. Она попадает в промежуток между пиками поглощения хлорофиллов A и B. Наконец, наличие только двух полос в спектре освещения не способствует синтезу каротиноидов, то есть получаемые плоды будут бедны такими важными для человеческого организма веществами, как альфа-каротин (попадая в организм, он превращается в витами A), бета-каротин, лютеин, бета-криптоксантин и ликопин.
Во-вторых, повышение КПД таких светильников упирается в ограниченный КПД красных светодиодов на арсениде галлия, легированном алюминием (AlGaAs). Именно на красные светодиоды приходится основное потребление электроэнергии в массовых агротехнических светильниках. Для них значение КПД сейчас составляет не более 47%. В 2010 году это было выше, чем у белых светодиодов. Но теперь светодиоды белого свечения имеют КПД около 60%. Дальнейшее улучшение характеристик требует использование для красного света чипов синего свечения, покрытых люминофором, которые приближаются по КПД к белым светодиодам. В итоге придется расстаться с преимуществами, которые дает использование решения без люминофора.
Спектры поглощения для двух видов хлорофиллов и каротиноидов.
В-третьих, сочетание красного и синего цветов на длительном промежутке времени может оказывать раздражающее действие на человека. Это означает, что такие светильники нельзя использовать в помещениях, где постоянно находятся люди (например, в спальне или рабочем кабинете). При использовании подобных светильников в теплицах ухудшаются условия труда работающих там людей из-за ухудшения координации в пространстве.
В 2012–2014 годах по заказу российской компании «Атомсвет» проводились серьезные исследования, направленные на определение оптимального спектра освещения для салата — одной из самых быстрорастущих сельскохозяйственных культур. В результате наибольшие темпы роста были продемонстрированы для сочетания 7 светодиодов разных цветов, среди которых был и сине-зеленый. Необходимость наличия сине-зеленой составляющей в спектре агротехнического светильника показали и исследования, проведенные на примере пряных трав немецкой компанией Agriluce — партнера Osram в создании домашних теплиц со светодиодным освещением.
Оптимальный спектр
Получается, что, при высоком КПД современных светодиодов белого свечения они лучше подходят для освещения растений в теплицах, чем комбинация синих и красных светодиодов? Действительно, можно получить неплохие результаты, освещая растения светодиодным светильником, например, с нейтральным белым свечением с цветовой температурой 4000 K. Но то, что мы визуально воспринимаем как белый свет, может содержать «провалы» в спектре, важные для развития растений.
В спектре обычного светодиода белого свечения на основе синего чипа и люминофора есть как минимум три проблемных зоны. Во-первых, спектр излучения начинается с 430 нм, когда промежуток с 400 нм по 430 нм соответствует значительному поглощению для хлорофилла B. Во-вторых, есть провал на 475 нм, что приблизительно соответствует пику поглощения для хлорофилла A. В-третьих, спад спектральной плотности излучения наблюдается в диапазоне 650–700 нм, где находятся длинноволновые пики поглощения обоих хлорофиллов.
Для решения данной проблемы на выставке Light+Building 2018 были продемонстрированы два подхода. Первый — добавление к обычным белым светодиодам еще и цветных, заполняющих провалы в спектре. В простейшем случае речь идет о добавлении красных светодиодов или же двух типов красных светодиодов с двумя длинами волны. Более сложный вариант — добавление к белым светодиодам еще и светодиодов синего, сине-зеленого и красного (двух разных длин волн) свечения, что продемонстрировала компания Agriluce. Преимущества такого подхода — возможность использования уже имеющегося оборудования для производства светодиодов.
Стенд южнокорейской компании Maltani Lighting на выставке Light+Building 2018.
Второй подход — использование источников света, спектр которых не имеет указанных недостатков. В первую очередь это — так называемые светодиоды типа SunLike. В их основе лежит чип, дающий фиолетовое свечение с длиной волны около 400 нм. Это излучение полностью поглощается трехполосным люминофором, дающим непрерывный спектр, по форме близкий к солнечному свету. Один из производителей SunLike светодиодов, представленных на выставке Light+Building 2018, компания Seoul Semiconductor, позиционирует свою продукцию в первую очередь для агротехнического применения.
К источникам, весьма точно имитирующим солнечный свет, относятся и плазменные светильники, которые представила на выставке южнокорейская компания Maltani Lighting (торговая марка SolaRay). Напомним, что в основе принципа работы плазменных светильников является возбуждение микроволновым излучением паров серы, находящихся под большим давлением. Пока что компания выпускает только один тип светильника с потребляемой мощностью 1000 Вт (плазменные светильники меньшей мощности сложны в изготовлении), и к нему уже проявили серьезный интерес кинематографисты. Тем не менее, компания сейчас активно продвигает свою новинку на рынки агротехнического освещения.
Помимо растениеводства, новым направлением стало применение светодиодных светильников в птицеводстве. Эти светильники отличаются желтоватым оттенком свечения, который, согласно исследованиям, снижает уровень стресса у цыплят. В итоге цыплята быстрее растут. Также в конструкции светильников учтено, что у птиц зрение имеет большее быстродействие, чем у людей, поэтому уровень пульсаций сведен к нулю.
Выводы
Светильники, в которых установлены светодиоды синего и красного цвета, за несколько лет их применения показали свою работоспособность, однако, ускорение роста растений под действием характерного для них спектра до сих пор научно не доказано. Такие светильники в будущем могут занять нишу недорогого решения для выращивания непищевых культур. Основным же направлением совершенствования агротехнических светильников станет максимальное приближение их спектра к естественному солнечному.
Автор: Алексей Васильев, ведущий рубрики «Сила Света»
