Светодиоды все больше входят в нашу жизнь. В конце XX века это были мигающие лампочки на корпусах компьютеров, но сейчас они используются в уличном освещении, фонарях, светофорах, фарах машин, в интерьерном освещении, они заменяют лампы накаливания и энергосберегающие лампы, к которым мы все привыкли. Светодиоды по сравнению с традиционными источниками света обладают массой преимуществ:
- Экономичны. Светодиодный светильник может запросто работать годами в отличие от ламп накаливания.
- Практически не греются, что облегчает их использование.
- Более безопасны, так как нет стеклянной колбы, ртути, как в люминесцентных и энергосберегающих лампах.
Светодиодные лампы — это цельный литой кусок пластмассы, и когда он перегорит, утилизировать его проще, чем традиционные лампы. Агрономам хочется такими замечательными светильниками освещать свои растения в теплицах. Это часто нужно для досветки растений, когда не хватает солнца, например, зимой, чтобы выращивать свежие овощи, или на крайнем севере, где по полгода полярная зима.
Однако у светодиодов есть одна проблема: большинство из них испускает довольно узкий спектр — это маленькая полоска света. Растения эволюционировали под солнцем, которое дает широкополосный спектр, и в котором представлены практически все полосы видимого света. Насколько растения устроит такой узкополосный спектр светодиодов — большой вопрос.
Эксперименты со светом
В течение XX века, до изобретения светодиодов, ученые пытались выращивать растения не под белым светом, а под отдельными его кусками: красным, синим, зеленым. Они брали традиционную лампу с белым или желтым светом, и с помощью светофильтров вырезали нужную полосу. Под таким светом выращивали растения, и смотрели, что получится:
- Лучше всего растения себя чувствовали под синим светом: они вырастали крупными, давали нормальные плоды, у них хорошо проходил фотосинтез, и формировались нормальные клеточные тканевые структуры.
- Растения, выращенные на красном свету, имели угнетенный фотосинтез и сниженную биомассу.
- Хуже всего растения себя чувствовали на зеленом свету: они выглядели как растения, которым света категорически не хватает, имели низкую биомассу, длинные междоузлия, которые пытались найти источник света.
Достаточно яркие, чтобы вырастить под ними растения, светодиоды появились в конце 1980-х годов, и это были красные светодиоды. Первыми, кто придумал вырастить растения под ними, были инженеры из NASA, которые конструировали светильники для космических оранжерей. Все преимущества светодиодов перед обычными светильниками в космосе начинают играть особенную роль, потому что там супер-ограниченные ресурсы, и важна экономия электричества. Утилизировать традиционную лампу в космосе, если она разбилась или перегорела, тоже целая проблема: вылавливать в невесомости осколки по всему кораблю проблематично. Со светодиодами таких проблем не возникает.
Эксперименты с растениями
Ученые посеяли пшеницу, стали освещать красными светодиодами достаточной интенсивности. Пшеница выросла похилее, чем контрольная под традиционными лампами, тем не менее, она смогла вырасти, заколоситься, дать семена. Это был потрясающий результат — растения под таким ущербным, урезанным светом могут пройти полный цикл развития от семени до семени.
Ученые добавили к красному свету немного синего, потому что тогда еще не было достаточно ярких синих светодиодов, использовав для этого люминесцентную лампу синего цвета. Пшеница стала практически не отличаться от контрольной. Когда красно-синий спектр, ставший уже классическим, стали применять к другим объектам, выяснилось, что не все растения согласны на такое издевательство.
Салат под красным и синим светом рос нормально. Когда стали пытаться выращивать редиску, выяснилось, что она растет бедная, несчастная, хилая, и корнеплоды практически не формирует. Добавили к красно-синему спектру немного зеленого: салат как нормально рос, так и рос, редис тоже стал себя чувствовать нормально. По мере расширения спектра разных растений, которые пытались выращивать под светодиодным светом, стало понятно, что реакция растений на узкополосный свет сильно видоспецифична: каким-то растениям годится одно, другим другое.
Построить универсальный светильник на основе светодиодов не получается, поэтому при конструировании светильников нужно учитывать, какие растения мы хотим выращивать, где мы их хотим выращивать и для чего:
- Если мы хотим нарастить биомассу растения, то нам сгодится классический светильник из красных светодиодов с небольшим добавлением синих.
- Если мы хотим усилить вкус пряностей или увеличить продукцию эфирных масел у мяты или у других эфиромасличных растений, то мы должны будем больше добавлять в наш светильник синий и ультрафиолет.
- Если мы выращиваем растения в теплице, и нам нужно сделать досветку, то хватит красного и синего, потому что это еда, а все что нужно для регуляции роста растений, растение может взять из солнца.
Светодиоды хороши тем, что ими можно освещать растения не только сверху как обычными лампами, но еще и сбоку: между рядами в теплице поставить светильники — это даст дополнительный свет нижним листьям и включит их в фотосинтез. Если светодиодный светильник — единственный источник света для растений, то нужно либо добавлять к красному и синему другие спектральные полосы, в зависимости от растений, либо пытаться достичь универсального спектра. Приближенным к универсальному может быть светильник на основе теплых белых светодиодов с добавлением небольшого количества красных — это максимальное приближение к солнцу, которое мы можем достичь современными светодиодами. Для большинства растений такой спектр сгодится.
Космические оранжереи
Ситуация, когда светильник — единственный источник освещения для растений, может возникнуть в космических оранжереях, даже если это околоземная орбита, то все равно использовать солнечный свет для освещения растений неудобно. Например, МКС оборачивается вокруг Земли 16 раз за сутки, и день-ночь сменяются гораздо чаще, чем на Земле, и такой режим для растений не очень удобен. Лучше иметь светильник, который будут космонавты включать-выключать. Сейчас все модели космических оранжерей, которые разрабатываются, используют именно светодиоды в качестве светильника.
В Институте медико-биологических проблем в Москве был проведен эксперимент Марс-500, который моделировал полет на Марс. Группа условных космонавтов провела 520 суток в макете космического корабля: они моделировали нештатные ситуации в ходе полета, выход на Марс, научные исследования в процессе полета. Один из экспериментов, в котором они участвовали, заключался в тестировании космической оранжереи со светодиодным светильником для выращивания китайской листовой капусты.
Вертикальные фермы
Кроме космических оранжерей ситуация с единственным источником света в качестве светодиодов может возникнуть в вертикальных фермах — это комнаты со стеллажами, на которых стоят горшки с растениями, и они освещаются светодиодами. Светодиодные светильники достаточно компактны, их можно уместить на достаточно плотные стеллажи.
Вертикальные фермы — перспективное направление в сельском хозяйстве будущего, потому что население растет, а посевные площади наоборот уменьшаются из-за глобального потепления и других климатических процессов. На вертикальной ферме можно на маленькой площади нарастить большую биомассу растений. В таких условиях можно выращивать что-то компактное: салат, петрушку, укроп, пряности или карликовые томаты. Использование вертикальных ферм может быть актуально для городских жителей, чтобы выращивать свежую зелень в условиях города: уменьшается время транспортировки от места производства к потребителю, и потребители могут получать более свежие и спелые овощи и зелень.
Исследования будущего
Существуют и другие направления исследований в области изучения светодиодного освещения растений. Сейчас видится актуальным расширять набор тестируемых спектральных полос: до сих пор все работали на базе красно-синего светильника, добавляя в него немножко ультрафиолета, зеленого или дальнего красного светов. Интересно попробовать и подробно изучить зеленый свет, добавлять желтый, и посмотреть какой эффект это возымеет. Нужно также расширять спектр исследуемых объектов: до сих пор, в основном, работали с салатом, томатами, огурцами, розами. Однако в теплицах выращивается гораздо больше разных растений, и хорошо бы каждую из основных тепличных культур изучить на предмет того, какие светодиодные светильники для них были бы максимально эффективны.
Определенный интерес представляет собой изучение фундаментальных механизмов действия светодиодного света на растения, потому что иногда физиологические эффекты такого света бывают совершенно удивительные. Например, если картошку досвечивать светом 620 нанометров, она перестает формировать клубни, ботвы дает много, биомасса отличная, а клубней нет, и никто не понимает, почему так. С этим эффектом, в частности, и пытаются сейчас работать: провели скрининг разных фотосинтетических процессов в растениях, выращиваемых под светодиодными светильниками, и увидели, что максимальный эффект заключается в том, что сильнее всего меняются процессы, связанные с синтезом АТФ, с преобразованием энергии света в химическую энергию АТФ.
Другие ученые, занимающиеся сходными вещами, исследуют влияние спектрального состава света на экспрессию фотосинтетических генов, на синтез углеводов и на другие процессы в растениях. Кроме того, в этом контексте изучаются анатомические особенности растений, особенности их цветения и плодоношения — эти исследования могут потом подсказать ключи к тому, как лучше подобрать светильники для практических задач.
