1. De spectrale code van fotosynthese in planten
Chloroplasten hebben fotosysteem I en II, die nogal kieskeurig zijn over de spectra die ze gebruiken om lichtenergie om te zetten in chemische energie. Chlorofyl a/b absorbeert licht het beste in de 660 nm rode en 450 nm blauwe lichtbanden. Deze banden zijn verantwoordelijk voor meer dan 90% van de lichtenergieconversie. Carotenoïden helpen bij het absorberen van blauw-violet licht tussen 400 en 500 nm, waardoor een systeem ontstaat dat twee soorten licht opvangt. Wanneer de hoeveelheid rood licht 80% bedraagt, tonen experimenten aan dat de fotosynthesesnelheid in tomaten met 50% kan stijgen, en dat het gewicht van een enkele vrucht met 14% tot 30% kan stijgen. De Yunnan-rozenplantbasis maakt gebruik van blauw licht om de stelen 20% dikker te maken en de bloemblaadjes 35% consistenter van kleur.
Planten kunnen tot 60% van het groene licht (520–610 nm) reflecteren, maar dit licht kan de fotosynthese-efficiëntie van de onderste bladeren met 18% verhogen zodra het door het bladerdak gaat. Uit de proef van Mitsubishi Chemical in Japan bleek dat het toevoegen van 5% groen licht aan het rood-blauwe composietlicht de slaproductie met 12% verhoogde. Dit loste het probleem van lichtverlies bij beplanting met hoge- dichtheid op. Het "schaduweffect" van verrood licht (730 nm) stopt als gevolg van langer groeien en stimuleert bloemknoppen om zich te differentiëren. Hierdoor kan de vruchtfase in de aardbeienproductie 7 tot 10 dagen langer duren.
2. De spectrale revolutie van de LED-technologie
Drie grote problemen met traditionele lichtbronnen zijn dat hogedruk-natriumlampen slechts 12% van de elektrische energie omzetten in fotosynthetisch actieve straling, dat de spectra van fluorescentielampen tot 40% afwijken van wat planten nodig hebben, en dat metaalhalogenidelampen te veel ver-infrarode straling afgeven, waardoor planten te snel groeien. En LED heeft exacte spectrumaanpassing mogelijk gemaakt door nieuwe halfgeleidermaterialen te bedenken:
Monochromatische optische chiptechnologie: kan zuivere spectra uitzenden met een piekgolflengtefout van ± 2 nm dankzij de combinatie van InGaN/GaN-materiaal. Osram in Duitsland maakt de OSLON Square-serie chips, die 300% efficiënter zijn dan reguliere lichtbronnen in de 660 nm roodlichtband.
Dynamische spectrale controle: Met behulp van IoT-technologie verandert het Philips GrowWise-systeem de spectrale verhoudingen op basis van de groeifasen van de planten. Om de verlenging van de hypocotyl te stoppen, wordt de hoeveelheid blauw licht tijdens de zaailingfase verhoogd tot 30%. Om de bloemknoppen te helpen differentiëren, wordt de hoeveelheid rood licht tijdens de bloeifase verhoogd tot 85%. Door verrood licht te gebruiken tijdens de vruchtperiode worden de vruchten groter.
Doorbraak in het beheersen van warmte: gebruik van keramische substraten en vloeistofkoelingstechnieken om de temperatuur van LED's onder de 45 graden te houden. Het produceert 60% minder warmte dan gewone lichtbronnen, waardoor de lampen slechts 15 cm van het bladerdak verwijderd kunnen worden geplaatst, en het maakt vier keer beter gebruik van de ruimte.
3. Het ‘lichtgecontroleerde tijdperk’ van de landbouw
De intelligente kas in Shouguang, Shandong, maakt gebruik van LED-verlichting om tomaten te helpen groeien. Deze technologie produceert 60 kg/m² tomaten per jaar, wat drie keer meer is dan traditionele methoden. Het planten van "drie- planken" wordt mogelijk gemaakt door gebruik te maken van een verhouding van 6:1 van rood en blauw licht. Dit verhoogt de outputefficiëntie per oppervlakte-eenheid met 500%. De woestijnkas in Binnen-Mongolië geeft komkommers op bewolkte en besneeuwde dagen dagelijks 4 tot 6 extra uren licht (met een intensiteit van 200 μmol/m² · s). Hierdoor groeien de komkommers 25% meer dan normaal, wat het probleem van de lage productiviteit bij slecht weer oplost.
LED-technologie verandert de manier waarop dingen worden gemaakt in fabrieksfabrieken. Mirai Company in Japan maakt gebruik van LED-lampen met volledig spectrum (inclusief UV-A 380 nm en verrood licht 730 nm) om het vitamine C-gehalte van sla met 18% en het anthocyaninegehalte met 25% te verhogen. Door de fotoperiode te controleren (16 uur rood licht en 8 uur donker) wordt de rijpingstijd van aardbeien teruggebracht tot een derde van de tijd die nodig is voor regulier planten. Dit betekent dat aardbeien het hele jaar door verkrijgbaar zijn.
4. Veranderingen in technologie en trends in de industrie
De huidige LED-installatieverlichting bevindt zich nu in de derde ontwikkelingsfase:
Quantum dot LED: Gebruik van nanokristallijne materialen om continue spectrale afstembaarheid te bereiken over het volledige golflengtebereik van 380 tot 850 nm, met een lichtefficiëntie van meer dan 4 μmol/J.
Biofeedbacksysteem: een ingebouwde chlorofylfluorescentiesensor, realtime monitoring van de feitelijke fotochemische efficiëntie van PSII en dynamische optimalisatie van de lichtformule.
AI Light Environment Modeling: Creëer met behulp van deep learning-technieken een digitaal tweelingmodel van de plantengroeispectrumomgeving, zodat u nauwkeurige voorspellingen kunt doen en controle kunt uitoefenen.
MarketsandMarkets zegt dat de mondiale markt voor fabrieksverlichting met 22,5% per jaar zal groeien tot 18,6 miljard dollar in 2027. China is de grootste producent en heeft een volledige industriële keten opgebouwd die gaat van het maken van chips tot het samenstellen van systemen. Bedrijven als Huawei en Sanan Optoelectronics dringen aan op het gebruik van 5G+LED slimme landbouwoplossingen.
5. Problemen en wat nu te doen
Ook al wordt de technologie steeds beter, de sector heeft nog steeds drie grote problemen:
Initiële kosten: Kleine en middelgrote-bedrijven zullen minder snel LED-systemen met volledig spectrum gebruiken, omdat het drie tot vijf jaar duurt voordat ze hun vruchten afwerpen.
Geen normen: Er bestaat geen wereldwijd certificeringssysteem voor lichte formules, wat bij gebruik tot verschillende resultaten leidt.
Knelpunt in energie-efficiëntie: De foto-elektrische conversie-efficiëntie in de verroodlichtband (700-800 nm) is minder dan 60% van die in rood licht. Dit betekent dat de materiaalwetenschap grote vooruitgang moet boeken.
De industrie zal zich de komende vijf jaar concentreren op drie belangrijke innovatiegebieden:
Spectrumgenbewerking: CRISPR-technologie gebruiken om gewassoorten te kweken die beter reageren op bepaalde spectra.
Foto-CO₂-samenwerkingsregulatie: het creëren van een systeem dat de hoeveelheid licht en koolstofdioxide in de lucht koppelt om de lichtenergie beter te gebruiken.
Ruimtelandbouwtoepassingen: Creëer een unieke spectrumoplossing voor de atmosfeer van Mars, die voor 95% uit CO₂ bestaat, om de voedselzekerheid voor diepe verkenning van de ruimte te garanderen.
6. Voorbeelden uit de praktijk- en financiële voordelen
Tomaten planten in Shandong Shouguang: met een LED-systeem met een rood{0}}blauwlichtverhouding van 8:1 steeg het aantal vruchten per plant van 12 naar 18, steeg het suikergehalte met 1,5 graad en bedroeg de opbrengstwaarde per hectare meer dan 500.000 yuan.
Yunnan-bloembasis: Door blauw licht te gebruiken om de dikte van rozenstelen te veranderen, is het percentage bloemen op A--niveau gestegen van 65% naar 82%, en is de prijs per eenheid voor export met 30% gestegen.
Midden in de woestijnkas van Mongolië: Als het in de winter -20 graden is, zorgen LED-lampen ervoor dat komkommers 2,3 keer meer groeien dan in gewone kassen en dat ze 40% beter gebruik maken van water en kunstmest.
