Věda o pěstování rostlin pod světlo emitujícími diodami (LED)  
Pevnolátkovým zdrojům světla patří budoucnost. Časem rovněž nahradí, u kultivace rostlin pod umělým osvětlením, zatím převažující výboj v plynech. Má to však jednu komplikaci. Nejsme omezeni pevným spektrálním složením světla. Proto vznikla věda orientovaná na souvislost kvality světla a výnosu, která měla onu komplikaci proměnit ve výhodu. Získané poznatky vedly k ne/překvapivému objevu.

Úvod

Víme všichni. Bez světla rostliny zahynou. Pokud je ho málo, tak to taky není žádná sláva. Drobní zahrádkáři jistě potvrdí, že klíční rostliny rajčat musí umístit k oknu směřující na více osluněnou jižní stranu. Jinak hrozí přílišné “vytáhnutí” sazenice. Slabý hroutící se stonek poté nezachrání ani úprava podmínek a nevydařená sadba skončí v kompostu.

Astronaut Shane Kimbrough sklízí listy salátu vypěstovaného na Mezinárodní vesmírné stanici. Posádka úrodu snědla k večeři. Kredit: NASA
Astronaut Shane Kimbrough sklízí listy salátu vypěstovaného na Mezinárodní vesmírné stanici. Posádka úrodu snědla k večeři. Kredit: NASA

 

Hobby pěstitelé zeleniny si s přirozeným světlem vystačí. Jiné je to u pěstitelů komerčních. V naši zeměpisné šířce se zkrátka bez dosvětlení producenti neobejdou. Praktické lekce z této oblasti nevyžádaně obdrželi v minulém roce obyvatelé území sousedícího s Polskem. Tamější skleníky vysílaly obtěžující oranžovou záři vysokotlakých sodíkových výbojek do všech stran. Stížnosti z velké části vyřešila instalace clonění a tak v hořácích lamp naplněných atmosférou xenonu, sodíku a rtuti zatím plane neohroženě výboj dál. Nicméně jednou dominanci plynem naplněných trubic přeruší polovodičová součástka světlo emitující dioda (LED).

 

LED technologie prodělala rychlý vývoj. Ještě nedávno sloužila pouze k jednoduché kontrole funkce elektronických přístrojů. Dnes přebírá vedoucí pozicí v rozličných osvětlovacích aplikacích. Rozmach LEDek pohání snaha ulevit životnímu prostředí náhradou méně efektivních způsobů generování světla. Účinnost přeměny elektrické energie na světlo může dosáhnout 70 %, ale skutečná hodnota účinnosti je výrazně menší, protože se zatím nedaří extrahovat všechny vzniklé fotony z diody.

 


Plody kosmického výzkumu

Kultivačních svítidla z LEDek charakterizuje jedna zásadní vlastnost. Polovodičové součástky dovedou vydávat úzkopásmové monochromatické světlo. Při kombinaci diod různé barvy a regulace výkonu dovolují namíchat libovolné světelné spektrum a dynamicky ho měnit. Kvalitu světla lze pak přizpůsobit potřebám konkrétního druhu či vývojové fáze (vegetativní fáze, generativní fáze-indukce kvetení). Nejlepší soudobé automatické a patřičně drahé systémy určené do skleníků rozmazlují plodiny například napodobením barevného podání paprsků panujících při východu a západu Slunce.

 

Najednou význam jednotlivých barev spektra pro rostlinu přerostl rámec základního výzkumu. Vznikla věda zabývající se otázkou čím svítit na rostliny, aby dobře rostly. Stěžejní experimentální práci odvedla skupina z Kennedyho vesmírného střediska. NASA totiž v LEDkách viděla ideální součást zahrádek pro produkci potravin a kyslíku na vesmírných stanicích nebo případných měsíčních a jiných základnách. Tam všude vyniknou jejich pozitivní vlastnosti nejvíce (vysoká energetická účinnost, nízké provozní napětí, mechanická odolnost, nízká hmotnost, menší rozměry, absence sálání tepla na rostliny a dobrá směrovatelnost světla).

Pozorný pozorovatel si všimne ostálky napadené plísní. Ani u pečlivě naplánovaných experimentů se astronauté nevyhnou školáckým chybám. Zde to přehnali se závlahou. Kredit: NASA
Pozorný pozorovatel si všimne ostálky napadené plísní. Ani u pečlivě naplánovaných experimentů se astronauté nevyhnou školáckým chybám. Zde to přehnali se závlahou. Kredit: NASA

První komplexní pěstební zařízení pojmenované Veggie, funguje v testovacím modu na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS) už několik let. Obsahuje diodové pole s jednoduchou trojkombinací vlnových délek 440, 540 a 640 nm o maximálním příkonu 115 W. Astronauti za dobu provozu systému zvládli opakovaně vypěstovat římský červený salát a dočkali se i květů ostálky.

 


Jaké je ideální kultivační osvětlení?

V 90. letech v začátcích růstových studiích LED technologie potřebovala ještě dospět. Dioda modré barvy, jejíž objev se datuje do roku 1993 a za který byla udělena Nobelova cena v roce 2014, neexistovala. Výzkum proto z nouze probíhal pouze s diodami červenými 660 nm, které uspokojily fotosyntetické nikoli regulační potřeby. Z toho důvodu by zařízení tehdejší doby sneslo srovnání s ekvivalentem mučících nástrojů než s hodnotnou náhradou Slunce. Až se tomu skoro nedá uvěřit. Pšenice dokázala dokončit svůj vegetativně-generativní cyklus jakž takž pouze pod samotným červeným světlem. Údiv nad její schopností je oprávněný. Pohyb ke světlu zprostředkovaný modrým světlem o žití a nežití nerozhoduje. Ovšem na modrých fotonech závisí rovněž otevírání průduchů zajišujících výměnu plynů s okolím, což je docela důležitá reakce. Přesto nejviditelnějším problémem pěstování pouze s červenými LEDkami se ukázala nedostatečná tvorba chlorofylu, která byla překonána až po doplnění o modré diody. S podílem 10 % fotonů modrého světla v záření již výhonky vypadaly anatomicky normálně a s tvorbou biomasy na tom byly také dobře.

 

Výsledky dále vylepšilo, když do diodové palety přibyla blízká infračervená oblast (NIR) s vlnovou délkou kolem 735 nm. NIR umožňuje vhodně manipulovat s morfologií rostlin k zisku většího výnosu. Právě nadbytek NIR je zodpovědný za ono nechtěné vytahování při nedostatku světla zmíněném v úvodu. Rostlina tuto situaci vyhodnotí jako překážku (konkurenta) mezi ní a Sluncem a snaží ze ji ze všech sil přerůst. Na druhou stranu v důsledku nedostatku dlouhovlnného záření může být rostlina příliš kompaktní a to taky není žádoucí. Při absenci NIR lze rovněž očekávat potíže s indukcí kvetení u krátkodenních druhů tedy těch u kterých kvetení navozuje zkrácení dne. Z kulturních plodin sem náleží kukuřice, konopí, rýže a sója.

 

V roce 2004 odborníci v Kenedyho vesmírném středisku zamíchali do světelného guláše i diody zelené barvy. První pokus s příměsí 5 % zelených fotonů neukázal žádný rozdíl. V dalším kroku výzkumu rozhodli zvýšit podíl cílového světla, ale narazili na výkonnostní limity tehdejších diod. Problém obešli pomocí zeleně fluoreskujících zářivek a dočkali se výsledku zlepšení tvorby biomasy při 24 % zastoupení fotonů vydávaných zářivkami. Vysvětlení pozorování spočívá v lepším pronikání zeleného světla pletivy rostlin. Fotosyntetizovat začnou i místa kam modré a červené světlo nemá šanci penetrovat.  
Poslední inovace v přidávání vlnových délek cílila na oblast nacházející se mezi ultrafialovou a modrou částí spektra. Její přítomnost podpořila tvorbu sekundárních metabolitů. Tento poznatek zřejmě najde uplatnění v reklamě na zdravější potraviny, neboť výpěstky získávají vyšší dnes tolik vyzdvihovanou antioxidační kapacitu.

Závěr: Bílá je dobrá

Ukázalo se, že rozšiřování spektra vede k zvýšení produktivity či jiným výhodám. Věda tak svým úsilím postupně vylepšovat LED kultivační zařízení dospěla k znovuobjevení významu bílého světla. Ostatně předpokládat se to dalo. Kdo by očekával něco jiného, když spolu tu rostliny a bílé světlo už nějaký ten pátek koexistují? Přesto se objevila snaha věci zjednodušovat. Zejména pohled na absorpční spektrum chlorofylu svádí využívat diody s vlnovou délkou shodnou s absorpčními maximy chlorofylu a tvrdit, že ostatní části spektra do fotosyntézy nepřispívají, tudíž jsou zbytečné. O tom proč je taková úvaha nepřesná se už na Oslovy psalo v článku „Je zelené světlo pro rostliny neužitečné?„.


 

Literatura
HortScience December 2008 vol. 43 no. 7 1947-1950

HortScience December 2008 vol. 43 no. 7 1951-1956http://dx.doi.org/10.1016/j.scienta.2015.11.014http://www.spacestationresearch.com/

Autor: Václav Diopan
Datum: 06.01.2017
Tisk článku

 -
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní:  Kč
cena:  Kč


Související články:

Kvantová mechanika s fotosyntézou přinesou skvělé solární články     Autor: Stanislav Mihulka (03.12.2016)
Šířilo se světlo a gravitace v raném vesmíru stejnou anebo různou rychlostí?     Autor: Stanislav Mihulka (24.11.2016)
Detekovali jsme mimozemský život ano, či ne?     Autor: Václav Diopan (10.11.2016)
Opalujeme se i v noci?     Autor: Josef Pazdera (21.08.2016)
Je rychlost světla nižší, než jsme si mysleli?     Autor: Stanislav Mihulka (30.06.2014)



Diskuze:

Komplikace nebo výhodai?

Jiří Šíma,2017-01-27 00:36:09

"Má to však jednu komplikaci. Nejsme omezeni pevným spektrálním složením světla."

hehehe Nebýt omezený pevným spektrálním složením zdroje světla musí být ale velká komplikace.

Odpovědět

Intenzita LED

yak yak,2017-01-09 11:10:12

Zdravim, neviete nahodou aka je odporucana intenzita ziarenia na 1 m2 napriklad? neviem to nikde najst. Chcem skusit nieco vypestovat v uplne uzavretom ekosysteme. Mam 2x 24W growing lamp LEd a nemam ani predstavu na aku plochu to vystacuje a z akej vzdialenosti?
Vdaka

Odpovědět


Re: Intenzita LED

Pavel Hudecek,2017-01-14 17:48:37

To se podrobně probíralo v diskusi pod tímto článkem:
http://www.osel.cz/9101-vyladenim-fotosyntezy-vedci-zvysili-rostlinam-vynos-o-20.html
který z nějakého záhadného důvodu chybí v seznamu souvisejících.

Odpovědět

Grower

Josef Šoltes,2017-01-06 17:28:17

Překvapivě někdy poměrně značně erudované „studie“ a diskuze najdete na serveru Grower, který se zabývá pěstováním marihuany pod lampou. :-)

Odpovědět

Errata

Jirka Niklík,2017-01-06 15:05:45

...se už na Oslovy psalo

Odpovědět


Re: Errata

Jsef Pazdera,2017-01-06 16:43:56

Toť otázka. I když se snažíme udržet osla na živu a bereme ho jako živého, Václav je možná blíže realitě :)
V každém případě díky za echo... naše jazykové zvrhlosti je třeba korigovat.
josef

Odpovědět

Osvětlení LED pro rostliny.

Vlastislav Výprachtický,2017-01-06 10:38:54

Studie nezahrnula poznatky ohledně závislosti na intenzitě osvitu ve vztahu k časovému intervalu a dalším podmínkám.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni