Светодиоды можно назвать одним из столпов современной техники. За относительно короткий период своего существования они проделали путь от специальных сигнальных элементов, использовавшихся в некоторых электронных приборах, до универсального источника освещения: светодиодные лампы, уличные фонари, карманные фонарики, гирлянды, рекламные вывески – это уже наша обыденность. Наверное, почти нет человека, который бы не имел хотя бы светодиодного фонарика.
У этих элементов масса преимуществ перед лампами накаливания и другими традиционными источниками освещения. Они гораздо более экономичны; они могут служить десятилетиями, в отличие от тех же ламп накаливания, которые очень быстро перегорают. Они не нагреваются, а значит, работать с ними проще и безопаснее. Они не разбиваются на осколки и не содержат опасных металлов и прочих веществ. Когда светодиод перегорает, его гораздо проще утилизировать, чем другие лампы.
Такой эффективный источник света интересует представителей самых разных профессий и родов занятий. В частности, светодиоды пытаются использовать растениеводы и фермеры – для искусственной подсветки растений. Это необходимо и на севере, где полярная зима длится шесть месяцев, и в южных регионах, где хочется выращивать свежие овощи даже зимой. Всем хороши светодиоды, но и у них есть слабые места. Прежде всего они испускают слишком узкий спектр света, что может оказаться неподходящим для растений, которые за тысячелетия эволюции привыкли к насыщенному солнечному свету.
Учёные давно экспериментируют в лабораториях с растениями, чтобы понять, как они воспринимают различные «куски» солнечного света. До изобретения светодиодов они использовали обычные лампы накаливания, свет которых преобразовывали с помощью простых фильтров. Оказалось, что лучше всего растения воспринимают синий свет. Под ним они растут большими и здоровыми, имеют крупные плоды, у них нормально проходит фотосинтез, нормально формируются структуры клеток и тканей. Красный свет растения воспринимают хуже и выглядят угнетёнными; у них менее успешно проходит фотосинтез, вырастают более мелкие и редкие плоды. Зелёный свет растения воспринимают ещё хуже и выглядят под ним так, как будто света им хронически не хватает; у них, в частности, тонкие и вытянутые стебли, судорожно ищущие источник света.
В конце восьмидесятых годов появились достаточно яркие светодиоды, чтобы под ними можно было выращивать растения. Только они тогда были красными. Первыми разводить «огороды» под ними стали инженеры NASA, которые разрабатывали способы выращивания растений в космосе. В космических условиях обретают силу все преимущества светодиодов. Так, ограниченность ресурсов заставляет экономить электричество; утилизировать обычные лампочки в космическом корабле – целая проблема, особенно если лампочка разбилась.
Под такими красными светодиодами исследователи посеяли пшеницу. Она вырастала более слабой, чем контрольная группа, росшая под традиционными лампочками, однако смогла пройти весь цикл, заколоситься и дать семена. В то время это казалось невероятной победой – под таким неподходящим красным светом удалось получить полноценные зерновые культуры. Ещё лучше пшеница стала расти, когда к красному свету добавили немного синего; светодиоды соответствующего цвета тогда ещё не были изобретены, и учёные воспользовались синими люминесцентными лампами. Под таким светом пшеница стала вообще неотличимой от контрольной.
Таким образом, была найдена цветовая комбинация, ставшая классической. Однако затем появились трудности: оказалось, что разные виды растений по-разному реагировали на те или иные лучи. Под красно-синим спектром салат рос нормально, а редиска развивалась с большим трудом и почти не давала корнеплодов; когда к имеющимся цветам добавили зелёный, состояние редиски намного улучшилось, салат же развивался не хуже, чем раньше. Стало понятно, что построить универсальный светильник, который подошёл бы всем растениям, невозможно. Поэтому при выращивании растений под светодиодами надо знать, какие виды растений используются, где они выращиваются и для чего.
Классическая комбинация – красный плюс немного синего – подходит для наращивания зелёной биомассы растений. Если нужно достичь более выраженного вкуса и аромата и повысить содержание эфирных масел, то нужно добавить больше синих и ультрафиолетовых светодиодов – именно эти цвета отвечают за выработку соответствующих веществ в растениях. Красный и синий годятся для дополнительной подсветки, когда растения выращиваются в теплице.
Ещё одно преимущество светодиодов заключается в том, что ими можно освещать растения с разных сторон, а не только сверху, как обычными лампами. Поставленные сбоку (например, между грядками) диодные светильники подсветят нижние листья и активизируют их, запустив в них фотосинтез. Если светодиоды являются единственными источниками света, то нужно к красному и синему цвету добавлять другие полосы (какие – зависит от конкретного растения) или пытаться добиться спектра, близкого к универсальному. Наиболее приближённым к солнечному свету является «букет» из тёплых белых (желтоватых) светодиодов с небольшим добавлением красных; такой спектр подходит для большей части растений.
Ситуации, когда светильник – единственный источник освещения, довольно редко происходят на Земле. Однако в космических условиях это нормальное явление: даже на околоземной орбите использовать солнечный свет не представляется возможным. К примеру, МКС обращается вокруг Земли больше десяти раз за сутки, поэтому там «день» и «ночь» меняются гораздо чаще, чем на Земле; для растений такой режим не подходит. Поэтому остаётся использовать светильники, с помощью которых можно имитировать естественный для растений режим освещённости.
В настоящее время все разрабатываемые модели космических оранжерей оснащаются светодиодными светильниками. В московском Институте медико-биологических проблем такая оранжерея использовалась в эксперименте под названием «Марс-500», который имитировал пилотируемый полёт на Марс. Участники, игравшие роль «космонавтов», моделировали чрезвычайные ситуации на борту, выход в открытый космос и на поверхность Марса и другие составляющие реального полёта. В космической оранжерее они выращивали китайскую листовую капусту, внимательно наблюдая за результатом. Весь эксперимент занял 520 суток.
Ещё одна сфера применения диодных светильников – так называемые вертикальные фермы, прообразы которых появляются уже сегодня. В то время как население Земли растёт, площадь сельскохозяйственных земель уменьшается, и в будущем вертикальные фермы могут стать единственным спасением для человечества. В таких помещениях посевы располагаются на многоэтажных стеллажах, между которыми очень удобно протягивать цепочки из светодиодов. Вертикальные фермы хороши тем, что они позволяют на небольшой площади вырастить огромную биомассу. Правда, по понятным причинам на них можно выращивать только компактные культуры – зелень (петрушку, салат, укроп и другие пряные травы), карликовые помидоры. Зато в условиях города пища может быть выращена недалеко от места непосредственной продажи, что увеличивает вероятность того, что на стол покупателей овощи попадут наиболее свежими.
Но и это ещё не все возможности светодиодов в растениеводстве. Одно из направлений исследований – влияние различных полос спектра на выращиваемые культуры. Традиционные светильники основаны на красно-синем сочетании, с добавлением некоторого количества зелёного, ультрафиолетового и «дальнего красного». Исследователи хотят более подробно изучить воздействие зелёного света, включить в эксперименты жёлтые лучи, а также расширить состав исследуемых растений. Возможно, новые лучи и их комбинации продемонстрируют неожиданные эффекты, которые могут оказаться как полезными, так и вредными для растений.
Исследуются и механизмы воздействия тех или иных спектров на физиологию растений. К примеру, при выращивании картофеля при свете длиной 620 нанометров (красный свет) наблюдался повышенный прирост зелёной части при отсутствии клубней. Исследователи заинтересовались этим эффектом и проскринили различные процессы в растении, связанные с фотосинтезом. Выяснилось, что красный свет изменяет процессы, связанные с образованием АТФ – основных энергетических молекул растений. Другие учёные изучают влияние различных полос света на иные процессы жизнедеятельности представителей растительного царства, в том числе на синтез углеводов, появление цветов и плодов.
Интересно, что впервые искусственное освещение для выращивания растений было применено в 1868 году. Это произошло в экспериментах Андрея Фаминцына, который использовал керосиновые лампы. Несмотря на такой несовершенный источник искусственного света, Фаминцын получил полезные сведения как о жизнедеятельности растений при искусственном освещении, так и о процессах в растительном организме, происходящих под влиянием света. В своих опытах он по большей части использовал водоросли – наиболее подходящие организмы для исследований. В частности, он выяснил, что крахмал в клетках спирогиры образуется уже через полчаса после помещения её под свет керосиновой лампы.
В ХХ веке существовали и достаточно одиозные проекты по искусственному освещению растений. В 1970-х годах американский учёный Краффт Эрике предложил в качестве дополнительного освещения использовать солнечный свет, отражённый из космоса с помощью особого спутника с очень большой отражающей поверхностью. Спутник был назван «Солеттой», то есть «маленьким солнцем». Известно о серьёзных попытках вывести на орбиту такой спутник, однако в итоге проект не был осуществлён – возможно, из-за его слишком высокой стоимости при недостаточно ясной эффективности; в качестве стоимости была названа сумма от 30 до 60 миллиардов долларов.
Гарантия
Сервис
Подбор
Госзакупки
