Zastosowanie technologii UV LED w rolnictwie

Wraz z rozwojem rolnictwa miejskiego oraz szklarniowego pojawiają się nowe możliwości masowego wykorzystania oświetlenia LED, w szczególności UV LED. Pozwala to nie tylko zaoszczędzić energię elektryczną (oświetlenie LED jest zdecydowanie najbardziej energooszczędnym rodzajem oświetlenia), ale również wykorzystać potencjał oraz możliwości światła UV, w szczególności UV-A oraz UV-B, w procesie wzrostu roślin. Badania dowiodły, że dzięki zastosowaniu światła UV osiągnąć można większą koncentrację wartościowych substancji aktywnych w roślinach, takich jak antyoksydanty czy np. THC w konopiach. Światło UV pomaga również w utrzymaniu dobrej kondycji plonów poprzez ograniczanie rozwoju pleśni oraz niektórych gatunków szkodników, stanowiąc alternatywę dla środków chemicznych, nieporównanie bardziej szkodliwych dla środowiska. Wprawdzie prawie każdy z rodzajów oświetlenia nadających się do stosowania w rolnictwie typu indoor (w zamkniętych pomieszczeniach) wytwarza pewną dawkę promieniowania UV (zazwyczaj niewielką), jednak jest ona praktycznie w całości zatrzymywana przez materiał, z którego wykonana jest soczewka (najczęściej szklana). Wraz ze spadkiem cen układów UV LED coraz bardziej opłacalne jest wykorzystanie tego typu urządzeń w produkcji rolniczej, z uwzględnieniem doboru właściwej długości fali, dawki promieniowania oraz dopasowanie tym parametrów do konkretnego etapu wzrostu plonów. Lampy UV LED muszą być jednak wykorzystywane razem z odpowiednimi soczewkami, które eliminują ryzyko szybkiego zużycia lub zniszczenia elementów instalacji.

Klasyfikacja fal UV

Światło UV jest częścią widma elektromagnetycznego o długościach fali od 10 do 400 nm. Zakres ten sąsiaduje ze światłem widzialnym, obejmując fale o krótszych długościach. Promieniowanie UV nie jest widoczne dla ludzkiego oka, w przyrodzie istnieją jednak zwierzęta zdolne do jego detekcji, jak niektóre gatunki ptaków i owadów. Większość promieniowania UV pochodzącego ze Słońca pochłaniania jest przez atmosferę. Zdolność pochłaniana przez atmosferę maleje wraz ze wzrostem długości fali – promieniowanie z zakresu ultrafioletu skrajnego (10–120 nm) pochłaniane jest praktycznie w całości, zaś z zakresu pośredniego (200–300 nm) i dalekiego (120–200 nm) w znacznej części. Znajomość charakterystyk poszczególnych podzakresów promieniowania UV pozwala na skuteczne ich wykorzystanie. Krótki opis poszczególnych zakresów wraz z ich zastosowaniami przedstawiono w ramce.

 

Rys. 1. Widmo promieniowania UV oraz światła widzialnego, z uwzględnieniem klasyfikacji fal UV

Rozwój technologii UV LED

Rynek oświetlenia UV wciąż zdominowany jest w znacznej mierze przez źródła światła inne niż lampy LED, w szczególności przez żarówki rtęciowe. Urządzenia UV LED odnotowały jednak w ostatnich latach dynamiczny rozwój, zarówno z powodu postępów w technologii ich produkcji, jak i zwiększonej presji konsumentów i producentów nakierowanej na znalezienie bardziej przyjaznego dla środowiska i energooszczędnego sposobu wytwarzania światła UV.

W ostatnich latach rozwój technologii LED pozwolił na znaczące zwiększenie możliwości tego typu układów. Diody LED emitujące promieniowanie w wyższych zakresach pasma UV-A (390–420 nm) dostępne były już od późnych lat 90., znajdując zastosowanie głównie w kryminalistyce oraz przy sprawdzaniu oryginalności dokumentów oraz banknotów. Znaczna część rynku układów UV LED związana jest z urządzeniami wykorzystywanymi w procesie utwardzania materiałów promieniowaniem UV, gdzie stosuje się zazwyczaj promieniowanie z zakresu UV-A, o długości fali od 350 do 390 nm.

Krótsze długości fali (z zakresów UV-B oraz UV-C) wykorzystywane są m.in. w celu dezynfekcji pożywienia, powietrza, wody oraz powierzchni. W tego typu zastosowaniach lampy UV LED wykorzystuje się dopiero od niedawna – pierwsze komercyjne urządzenie do odkażania wody oparte na lampach LED zaprezentowano w 2012 roku. Zaletą układów LED jest nie tylko ich wysoka energooszczędność, ale również małe wymiary, pozwalające na miniaturyzację urządzeń.

Dzięki tym zaletom wartość rynku układów UV LED zwiększyła się pięciokrotnie w ciągu ostatniej dekady, zaś w 2025 roku powinna według przewidywań osiągnąć 1,3 mld dol. Szacuje się, że kluczowym czynnikiem wpływającym na rozwój rynku będzie zdolność do ekspansji w kierunku nowych branż i zastosowań, takich jak przemysł spożywczy oraz rolnictwo. Technologia UV LED wciąż wymaga również intensywnego rozwoju, co pozwoli zapewne na dalsze zmniejszenia kosztów układów oraz zwiększenie ich trwałości.

Korzyści stosowania promieniowania UV w rolnictwie

Wraz z intensywnym wzrostem popularności rolnictwa miejskiego oraz szklarniowego wzrasta również potrzeba szczegółowej kontroli i zarządzania procesem wzrostu roślin, w celu zwiększenia opłacalności uprawy. Większość dotychczasowych projektów badawczych analizujących wykorzystanie układów LED w rolnictwie skupiała się przede wszystkim na emisji światła widzialnego. Przykładowo, NASA publikując wnioski ze swoich badań, stwierdziła m.in., że oświetlenie LED jest najlepszym źródłem sztucznego oświetlenia do wykorzystania w procesie wzrostu roślin. Prowadzono wiele szczegółowych badań, które pozwoliły zrozumieć wpływ promieniowania poszczególnej długości na cykl życia roślin. Przykładowo, światło czerwone (630–660 nm) zostało zidentyfikowane jako kluczowe dla wzrostu pni i liści, jak również do regulacji okresów kwitnienia oraz uśpienia.

 

Rys. 2. Promieniowanie UV pozwala zwiększyć koncentrację substancji aktywnych w roślinach, jak np. ilość antyoksydantów w rozmarynie

Podczas gdy wczesne układy oświetlenia LED nie spełniały oczekiwań plantatorów, najnowsze urządzenia są w stanie skutecznie konkurować z tradycyjnymi źródłami oświetlenia, takim jak lampy HPS. Wraz z rozwojem techniki układy UV LED umożliwiają zwiększenie wydajności oraz opłacalności upraw szklarniowych. Badania naukowe dowiodły, że rozwój roślin w środowisku ubogim w światło UV może w przypadku niektórych gatunków przebiegać nieprawidłowo, zwiększając prawdopodobieństwo wystąpienia chorób oraz uszkodzeń. Przykładowo, zwyczajne szkło jest w stanie zablokować ok. 90% energii promieniowania UV-B, zatem brak doświetlenia upraw szklarniowych światłem UV może doprowadzić do negatywnych skutków rozwoju plantacji.

Udowodniono również pozytywny wpływ światła UV na zwiększanie koncentracji substancji aktywnych w niektórych rodzajach roślin, np. antyoksydantów. Ekspozycja na światło o odpowiedniej długości fali pozwala zainicjować w roślinach wybrane procesy chemiczne oraz fizyczne. Pod wpływem energii promieniowania UV mogą one zmienić swój skład chemiczny. Wciąż prowadzone są intensywne badania tego obszaru wiedzy, pozwalające lepiej zrozumieć procesy fotochemiczne oraz ich związek z ilością otrzymywanej przez roślinę energii promieniowania UV.

Zastosowanie oświetlenia UV w systemach szklarniowych

Podczas rozważań nad implementacją oświetlenia UV LED w dowolnym systemie należy wziąć pod uwagę nie tylko same źródło światła, czyli diodę LED. Kompleksowy system oświetlenia UV musi uwzględniać takie zagadnienia jak dawka promieniowania wymagana przez rośliny, długość promieniowania UV czy kierunek padania światła. Prawidłowo zaprojektowany system musi uwzględniać również parametry termiczne (odprowadzenie ciepła), kształt oraz materiał soczewek, specyfikę źródła zasilania oraz właściwości zasilacza.

Określenie optymalnej dawki promieniowania oraz długości fali

Plantator musi samodzielnie określić optymalny zakres widma promieniowania, uwzględniając przy tym rodzaj uprawy oraz kolejne etapy cyklu wzrostu roślin. Błędne wyznaczenie tych wartości przynieść może efekty odwrotne od oczekiwanych – przykładowo, przy oświetleniu światłem widzialnym niewielka zawartość światła zielonego w widmie (do ok. 20%) pozwala przyspieszyć wzrost roślin. Dowiedziono jednak, że zbyt duża dawka tego promieniowania (powyżej 50% energii widma) przynosi szkodliwy efekt.

 

Rys. 3. Choroby oraz szkodniki stanowią bardzo duże zagrożenie dla uprawy roślin. Ryzyko ich wystąpienia może być znacząco zredukowane przez właściwe wykorzystanie światła UV

Dla plantatorów zainteresowanych przede wszystkim przyspieszeniem wzrostu roślin oraz zwiększeniem koncentracji obecnych w nich substancji aktywnych głównym celem będzie zapewnienie oświetlenia światłem UV z zakresu UV-A oraz UV-B. W przypadku chęci wyeliminowania szkodliwych pasożytów oraz bakterii, takich jak mączniak, konieczne będzie zastosowania oświetlenia z zakresu UV-B lub nawet UV-C

Pomiar mocy promieniowania

Dla celów porównania efektywności poszczególnych modeli lamp LED (lub całych systemów oświetleniowych) konieczne jest opracowanie metod oceny jakości poszczególnych urządzeń – najczęściej wykonuje się to poprzez pomiar mocy promieniowania świetlnego. Porównania takiego dokonywać należy z wyjątkową ostrożnością, szczególnie jeśli wykorzystuje się w tym celu dane katalogowe podawane przez producentów. Jednym z problemów jest fakt, że producenci nie ujawniają zazwyczaj wszystkich szczegółów procesu pomiarowego, któremu poddają swoje urządzenia – w szczególności mowa tutaj o krytycznym parametrze, jakim jest dystans pomiędzy źródłem światła a elementem pomiarowym.

Zdecydowanie bardziej obiektywnym rozwiązaniem jest zatem wykonanie własnych pomiarów i bazowanie na ich wynikach. Posiadanie układu pomiarowego zintegrowanego z systemem oświetlenia przynosi ponadto dodatkowe korzyści, takie jak możliwość lepszej kontroli pracy układu czy błyskawicznego wykrycia wszelkich nieprawidłowości. Większość z dostępnych na rynku czujników oświetlenia zaprojektowana jest jednak tylko do pomiaru określonego zakresu widma promieniowania elektromagnetycznego, należy więc dobrać urządzenie w taki sposób, aby było w stanie mierzyć energię promieniowania w interesującym nas zakresie.

Wpływ soczewek na wydajność systemu

Podczas projektowania systemu oświetlenia pamiętać należy również o właściwym odprowadzenia ciepła – zbyt wysoka temperatura generowana przez oświetlenie może mieć skrajnie negatywny wpływ na rozwój roślin. Chociaż lampy LED są znacznie bardziej wydajne od tradycyjnych źródeł światła, badania pokazują, że w układach UV LED jedynie ok. 25% zużywanej energii elektrycznej przetwarzane jest na energię świetlną, pozostała część przekształcana jest zaś w energię cieplną. Ponadto energia świetlna z zakresów nieabsorbowanych przez rośliny finalnie również przetworzona zostanie w energię cieplną, zwiększając temperaturę otoczenia. To zaś wpłynie na wzrost całkowitych kosztów funkcjonowania systemu, przede wszystkim ze względu na zwiększone wykorzystanie systemu chłodzenia. Wzrośnie zatem koszt jego eksploatacji i wymagania infrastrukturalne na etapie budowy.

 

Rys. 4. Przykład diody LED zniszczonej przez wysoką temperaturę spowodowaną nadmiernym nagrzewaniem się soczewki

Duży wpływ na wydajność termiczną systemu oświetlenia ma rodzaj zastosowanych soczewek. Wykonanie ich z nieodpowiedniego materiału może skutkować znaczącym zwiększeniem absorpcji promieniowania UV, jednocześnie zaś emisji energii cieplnej. Soczewki podatne są również na procesy starzeniowe, przez co ich parametry znacząco pogarszają się wraz z czasem eksploatacji. Na rynku znaleźć można soczewki przeznaczone do źródeł światła UV – wykonane są one z materiału o podwyższonej transmisyjności dla promieniowania z tego zakresu, zwiększającego efektywność pracy systemu.

Podsumowanie

Układy UV LED stają się coraz bardziej atrakcyjne pod względem ekonomicznym oraz użytkowym, pozwalając na coraz łatwiejszą i tańszą implementację systemu oświetlenia UV w szklarniowej uprawie roślin. Prognozowane zwiększone zainteresowanie tego typu rozwiązaniami przyczyni się zapewne do dalszego rozwoju tej gałęzi produktów, jak również zwiększonego zainteresowania badaniami dotyczącymi optymalnego wykorzystania energii UV w procesie wzrostu roślin.

Damian Tomaszewski