1. Teknisk grund: Kvantkommunikation mellan ljus och vatten (1) Den fysiska gränsen för spektral penetration
Vatten är mycket selektivt om vilka spektra det absorberar. Blått ljus (450–480nm) penetrerar mest och stannar på ett djup av 50 cm med en transmittans på 75 %. Grönt ljus (500–570nm) är andra, med en transmittans på cirka 40 %. Rött ljus (620–680nm) bleknar till 30 % på ett djup av 20 cm. Det är därför växter som växer under vattnet i naturliga vattendrag verkar blå-gröna: bara blått-grönt ljus kan ta sig igenom vattenbarriären och absorberas av klorofyll. LED-teknik övervinner de fysiska begränsningarna av naturligt ljus genom att noggrant kontrollera spektraleffekten.
(2) Våglängdskodning för fotosyntes
Den synergistiska effekten av klorofyll a/b och karotenoider är det som gör att fotosyntesen i växter fungerar. Klorofyll an absorberar 90 % av rött ljus vid 660 nm, klorofyll b absorberar 85 % av blått ljus vid 430 nm, och karotenoider hjälper till att absorbera ljus i intervallet 400-550 nm. Experiment har visat att användning av en LED-ljuskälla med ett förhållande på 1:1 av 660 nm rött ljus till 450 nm blått ljus kan öka fotosynteshastigheten för vattenväxter med 27 % jämfört med enstaka vitt ljus och höja klorofyllhalten med 15 %.
(3) Den molekylära mekanismen som styr ljusets form
Vattenväxter använder fytokrom och kryptokrom för att känna av ljus. Rött ljus (660nm) ändrar formen på det ljuskänsliga pigmentet Pr till Pfr, vilket stoppar tillväxten av stjälkar och startar utvecklingen av kloroplaster. Långt rött ljus (730nm) gör tvärtom. Kryptokrom upptäcker blått ljus och kontrollerar öppning och stängning av stomata och dygnscykler. Denna ljusregleringsmekanism på molekylär-nivå låter vattenväxter ändra hur de utvecklas beroende på hur mycket ljus det finns.
2. Användning av LED-teknik i vatten: från labbet till marknaden
(1) Återuppbyggnad av ekologin i kommersiella akvarier
SEA Aquarium i Singapore använder ett skiktat LED-belysningssystem. Det översta lagret (som vattenfikon) använder ett 450nm blått ljusspektrum för att hjälpa lateral knoppdifferentiering. Mellanskiktet (som Iron Crown) använder ett förhållande på 1:2 av 660 nm rött ljus och 450 nm blått ljus för att hjälpa klorofyllsyntesen. Det undre lagret (som Moss) använder 730nm långt rött ljus för att kontrollera tillväxtrytmen. Jämfört med vanlig belysning ökar tekniken vattenväxternas biomassa med 40 % och sänker risken för algblomning med 65 %.
(2) Smart uppdatering för hemakvarier
Xiaomi Ecological Chains intelligenta akvarieljus använder IoT-teknik för att åstadkomma dynamisk spektrumkontroll. För att få vattenväxter att starta fotosyntesen, efterlikna soluppgångens spektrum på morgonen, där 60 % av ljuset är blått ljus vid 450 nm. Vid middagstid byter du till fullt spektrumläge (rödblått förhållande 1:1) för att hålla fotosynteshastigheten så hög som möjligt; För att få det att se ut som om solen går ner, byt till 2700K varmt ljus (med 70 % rött ljus) på kvällen. Användartestning visar att den här metoden minskar tillväxtcykeln för vattenväxter med 20 % och bara lägger till 0,3 yuan per dag till elutgifterna.
(3) Banbrytande användningar inom vetenskaplig forskning
Institutet för hydrologi vid den kinesiska vetenskapsakademin har funnit att användning av ett tre-bands LED-system med 660 nm rött ljus, 430 nm blått ljus och 730 nm långt rött ljus kan öka mängden stärkelse i bittert gräs med 35 % och mängden protein med 22 %. När man odlar sötvattenalger ökade användningen av lysdioder som avger vissa våglängder biomassaproduktionen av Chlorella med 2,3 gånger jämfört med standardmetoder och Omega-3-fettsyrahalten med 18 %.
3. Tekniska problem och lösningar: Hur man bryter undervattensfotosyntetiska lösenord
(1) Ett sätt att kompensera för spektral dämpning
Var 10:e cm djupare vattnet är, desto mindre rött ljus är det med cirka 40 %. Svaret är att använda hög- LED-chips (som CREE XP-G3-serien, som har en ljuseffektivitet på 220lm/W), lägga till linsfokuseringsdesign (som en 120 graders vidvinkellins-) och bygga upp ett belysningssystem i nivåer (med oberoende spektrummoduler inställda var 20:e cm vattendjup). Tester har visat att dessa steg kan hålla PPFD (fotosyntetisk fotonflödestäthet) över 150 μ mol/m ²/s på ett djup av 50 cm i vatten.
(2) Nya sätt att hantera värme
För varje 10 graders ökning av LED-övergångstemperaturen sjunker ljuseffektiviteten med 4 % och livslängden sjunker med 50 %. Den höga luftfuktigheten (80 % till 95 % relativ luftfuktighet) som är vanlig i vattenmiljöer gör det ännu svårare att bli av med värme. Några lösningar för industrin är: att använda aluminium-baserade PCB-kort (värmeledningsförmåga större än eller lika med 2W/m · K); design av system för vätskekylning och värmeavledning (sådana rörledningar för cirkulerande vattenkylning); och tillverkning av fasförändringsmaterial (som paraffin/expanderad grafitkompositmaterial). Tester har visat att dessa teknologier kan hålla korsningstemperaturen för lysdioder under 65 grader och ljusförsämringshastigheten på 0,3 % per kilowattimme.
(3) Förmågan att balansera fotobiologisk säkerhet
För mycket blått ljus (450–480nm) kan stoppa vattenväxter från att växa. Studier indikerar att när PPFD för blått ljus överstiger 80 μmol/m²/s, minskar aktiviteten hos fotosystem II i bittert gräs med 15 %. Tillvägagångssättet inkluderar användning av dynamisk spektrumreglering (som att minska mängden blått ljus med 40 % under dagen) och pulsbreddsmoduleringsteknik (PWM) (med en frekvens på minst 1 kHz för att eliminera flimmer). Ställ in ett ljusintensitetströskelskydd som automatiskt sänks när PPFD går över 200 μmol/m²/s.
