1. Den spektrala koden för fotosyntes i växter
Kloroplaster har fotosystem I och II, som är ganska kräsna med de spektra de använder för att omvandla ljusenergi till kemisk energi. Klorofyll a/b absorberar ljus bäst i de 660 nm röda och 450 nm blå ljusbanden. Dessa band står för mer än 90 % av ljusenergiomvandlingen. Karotenoider hjälper till att absorbera blått-violett ljus mellan 400 och 500 nm, vilket skapar ett system som fångar två typer av ljus. När mängden rött ljus är 80 % visar experiment att fotosynteshastigheten i tomater kan öka med 50 % och vikten av en enskild frukt kan öka med 14 % till 30 %. Yunnan rosenplanteringsbasen använder blått ljus för att göra stjälkarna 20 % tjockare och kronbladen 35 % mer konsekventa i färg.
Växter kan reflektera upp till 60 % av grönt ljus (520–610 nm), men detta ljus kan öka de nedre bladens fotosyntetiska effektivitet med 18 % när det väl passerar genom baldakinen. Mitsubishi Chemicals försök i Japan visade att tillsats av 5 % grönt ljus till det röda blå kompositljuset ökade salladsproduktionen med 12 %. Detta löste problemet med ljusförlust vid plantering med hög-densitet. "Skuggeffekten" av långt rött ljus (730nm) stoppar stjälkarna från att växa längre och uppmuntrar blomknoppar att särskilja sig. Detta kan göra att fruktsättningsfasen i jordgubbsproduktionen varar 7 till 10 dagar längre.
2. LED-teknikens spektrala revolution
Tre stora problem med traditionella ljuskällor är att högtrycksnatriumlampor bara omvandlar 12 % av den elektriska energin till fotosyntetiskt aktiv strålning, lysrörsspektra är upp till 40 % lägre än vad växter behöver och metallhalogenlampor avger för mycket infraröd strålning-, vilket gör att växter växer för snabbt. Och LED har gjort exakt spektrumanpassning möjlig genom att komma med nya halvledarmaterial:
Monokromatisk optisk chipteknologi: den kan sända ut orörda spektra med ett toppvåglängdsfel på ± 2nm tack vare InGaN/GaN-materialkombinationen. Osram i Tyskland tillverkar chipsen i OSLON Square-serien, som är 300 % effektivare än vanliga ljuskällor i 660nm rött ljusband.
Dynamisk spektralkontroll: Med hjälp av IoT-teknik ändrar Philips GrowWise-systemet spektralförhållandena baserat på växternas tillväxtstadier. För att stoppa hypokotylförlängning höjs mängden blått ljus till 30 % under plantstadiet. För att hjälpa blomknoppar att differentiera sig höjs mängden rött ljus till 85 % under blomningsstadiet. Att använda långt rött ljus under fruktperioden gör att frukten växer sig större.
Genombrott i att hantera värme: Använda keramiska substrat och vätskekylningstekniker för att hålla temperaturen på lysdioder under 45 grader. Den producerar 60 % mindre värme än vanliga ljuskällor, så lampor kan placeras endast 15 cm från växtkronan, och den utnyttjar utrymmet 4 gånger bättre.
3. Lantbrukets "Ljuskontrollerade era".
Det intelligenta växthuset i Shouguang, Shandong, använder LED-lampor för att odla tomater. Denna teknik producerar 60 kg/m² tomater per år, vilket är tre gånger mer än traditionella metoder. Planteringen av "tre-dimensionella hyllor" är möjlig genom att använda ett förhållande på 6:1 av rött och blått ljus. Detta ökar uteffekten per ytenhet med 500 %. Ökenväxthuset i Inre Mongoliet ger gurkor 4 till 6 extra timmars ljus varje dag under mulna och snöiga dagar (med en intensitet på 200 μ mol/m ² · s). Detta gör att gurkorna växer 25 % mer än de normalt skulle göra, vilket löser problemet med låg produktivitet vid dåligt väder.
LED-tekniken förändrar sättet som saker tillverkas i växtfabrikernas rike. Mirai Company i Japan använder fullspektrum LED-lampor (inklusive UV-A 380nm och långt rött ljus 730nm) för att öka C-vitaminhalten i sallad med 18 % och antocyaninnivån med 25 %. Genom att kontrollera fotoperioden (16 timmars rött ljus och 8 timmars mörker) minskas tiden det tar för jordgubbar att mogna till en tredjedel av tiden det tar för vanlig plantering. Det gör att jordgubbar finns tillgängliga året runt.
4. Förändringar i teknik och trender inom industrin
Den nuvarande LED-växtbelysningen är nu i sin tredje iteration av utveckling:
Quantum dot LED: Använder nanokristallina material för att uppnå kontinuerlig spektral avstämning över hela våglängdsområdet från 380 till 850 nm, med en ljuseffektivitet på mer än 4 μ mol/J.
Biofeedback-system: en inbyggd klorofyllfluorescenssensor, realtidsövervakning av den faktiska fotokemiska effektiviteten av PSII och dynamisk optimering av ljusformeln.
AI-ljusmiljömodellering: Med hjälp av djupinlärningstekniker, skapa en digital tvillingmodell av växternas tillväxtspektrummiljö så att du kan göra exakta förutsägelser och kontroll.
MarketsandMarkets säger att den globala växtbelysningsmarknaden kommer att öka med 22,5 % per år och nå 18,6 miljarder dollar år 2027. Kina är den största tillverkaren och har byggt upp en komplett industriell kedja som går från att tillverka chips till att sätta ihop system. Företag som Huawei och Sanan Optoelectronics trycker på för användningen av 5G+LED smarta jordbrukslösningar.
5. Problem och vad du ska göra härnäst
Även om tekniken blir bättre hela tiden har sektorn fortfarande tre stora problem att hantera:
Initialkostnad: Små och medelstora-företag är mindre benägna att använda fullspektrum LED-system eftersom det tar 3 till 5 år att betala av sig.
Inga standarder: Det finns inget globalt certifieringssystem för lättformel, vilket leder till olika resultat när den används.
Flaskhals för energieffektivitet: Den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten i det avlägsna röda ljusbandet (700–800 nm) är mindre än 60 % av det i rött ljus. Det betyder att materialvetenskapen behöver göra stora framsteg.
Branschen kommer att fokusera på tre huvudområden för innovation under de kommande fem åren:
Spektrumgenredigering: Använder CRISPR-teknik för att odla grödor som svarar bättre på vissa spektra.
Foto-CO₂ Collaborative Regulation: Skapa ett system som kopplar samman mängden ljus och koldioxid i luften för att bättre utnyttja ljusenergin.
Rymdtillämpningar för jordbruk: Skapa en unik spektrumlösning för Mars atmosfär, som är 95 % CO₂, för att säkerställa livsmedelssäkerhet för utforskning av rymden på djupet.
6. Verkliga-exempel och ekonomiska vinster
Tomatplantering i Shandong Shouguang: Med ett LED-system som hade ett förhållande mellan rött-blått ljus på 8:1, ökade antalet frukter per planta från 12 till 18, sockerhalten ökade med 1,5 grader och utmatningsvärdet per hektar var mer än 500 000 yuan.
Yunnan Flower Base: Genom att använda blått ljus för att ändra tjockleken på rosens stjälkar har andelen blommor på -nivå ökat från 65 % till 82 %, och priset per enhet för export har ökat med 30 %.
Mitt i Mongoliets ökenväxthus: När det är -20 grader på vintern hjälper LED-lampor gurkor att växa 2,3 gånger mer än i vanliga växthus och utnyttjar vatten och gödning bättre med 40 %.
