Rolnictwo wertykalne rośnie dzięki LEDom

Europejski rynek świeżych warzyw i owoców (wg ICI Business wart ponad 30 miliardów euro) zmaga się obecnie z szeregiem problemów. Obejmują one niekorzystne zmiany klimatyczne, większą świadomość konsumentów w kwestiach zdrowia, zwiększony popyt na niszowe produkty (w tym tzw. superfood), wysokie koszty dostaw oraz naciski klientów na zapewnienie produkcji bardziej „zielonej” i „lokalnej”. Jeszcze większe wyzwania wynikają z trendów globalnych. Przewiduje się, że do 2050 roku na świecie będzie żyło 10 miliardów ludzi, z czego aż 80 proc. na terenach miejskich. W najbliższych dekadach będzie więc gwałtownie rosło zapotrzebowanie na produkty spożywcze w miastach.

W obliczu tych wyzwań, sektor ogrodniczy podjął działania, aby zwiększyć produkcję oraz skrócić czas potrzebny na dostarczenie produktów do konsumentów. Uprawy w szklarniach lub budynkach ze sztucznym i podlegającym kontroli oświetleniem stają się coraz popularniejszym sposobem, aby wykorzystać ograniczoną przestrzeń w aglomeracjach. Sztuczne oświetlenie pozwala uzupełniać naturalne światło, aby przyspieszyć rozwój roślin lub wręcz uprawiać rośliny bez naturalnego światła. Ponadto możliwa staje się uprawa owoców, warzyw i kwiatów, które nie są przystosowane do lokalnych warunków klimatycznych.

Uprawy  wielopoziomowe, zwane także wertykalnymi, mają wiele przewag nad tradycyjnymi. Przede wszystkim ogrodnictwo wertykalne zużywa znacznie mniej cennych zasobów. Według danych Organizacji Narodów Zjednoczonych do spraw Wyżywienia i Rolnictwa, tradycyjne rolnictwo odpowiada za 30 proc. globalnego zużycia paliw kopalnych oraz 70 proc. zużycia wody, z czego 50-80 proc. jest tracone w wyniku parowania lub spływanie. Uprawy wertykalne, dzięki wykorzystaniu układów zamkniętych, wymagają 70-95 proc. mniej wody i pozwalają radykalnie ograniczyć użycie środków ochrony roślin oraz koszty transportu, bo uprawy mogą być lokalizowane na terenach miejskich.

Kluczowym wyzwaniem w rozwoju ogrodnictwa wertykalnego są systemy oświetleniowe. Obecnie w szklarniach najczęściej stosowane są lampy sodowe (HPS – High-Pressure Sodium), produkujące ponad 100 lm/W, ale w szerokim zakresie długości fali. Oznacza to, że lampy te marnują część pobieranej energii na produkowanie promieniowania, które jest obojętne dla rozwoju roślin. Ponadto, ze względu na wysokie zużycie energii oraz ciepło generowane przez lampy HPS, konieczne jest zapewnienie znacznej odległości między źródłem światła i roślinami. W praktyce oznacza to, że lampy HPS są zwykle umieszczane wysoko nad roślinami. Kolejnymi wadami systemów HPS są krótka żywotność (ok. 8000 godzin) oraz  niska efektywność kosztowa małych lamp.

Od momentu odkrycia, że widmo światła może wpływać na właściwości roślin, np. przyspieszając ich kwitnienie, przemysł ogrodniczy zaczął mocniej interesować się technologią LED, która stała się kluczowa dla opłacalności miejskiego ogrodnictwa. Rośliny zielone przeważnie wykorzystują do fotosyntezy i produkowania energii światło niebieskie (około 430-490 nm) oraz czerwone (około 640-780 nm), ale absorbują również fale o długości około 730 nm w zakresie podczerwieni, które wpływają na wzrost roślin.

Odpowiednie łączenie oraz okresowe zmienianie długości fal pozwala kontrolować wielkość plonów, ich jakość, szybkość oraz koszt. Lampy LED nadają się do tych zastosowań szczególnie dobrze ze względu na to, że umożliwiają elastyczne zmienianie parametrów produkowanego światła i określania spektrum barw. Systemy LED pozwalają wręcz dostosować oświetlenie tak, aby pasowało do dowolnego gatunku roślin. Konstrukcja systemów LED pozwala także na zmienianie liczby diod bez potrzeby modyfikacji płytek drukowanych lub opraw (zmieniając liczbę diod można zmieniać właściwości oświetlenia).

Równie ważne, jak odpowiednie widmo światła, jest jego jednolitość rozumiana jako ilość światła, jakie każda roślina otrzymuje. Chodzi o to, aby zapewnić równy wzrost wszystkich roślin i równoczesne zbiory. Niskie temperatury diod LED umożliwiają stosowanie oświetlenia także między roślinami i liśćmi. W ten sposób zwiększeniu ulega ilość światła i zmniejsza się ryzyko zacienienia – często występującego przy oświetlaniu z góry. Dzięki oświetlaniu z każdej strony rośliny nie marnują energii na poszukiwanie światła i rozrastają się równomiernie, rosnąc szybciej i dając większe plony.

Na rynku pojawiają się kolejne produkty tworzone z myślą o rynku ogrodniczym. Seria Oslon SSL to LEDy klasy 1W, które oferują trzy różne charakterystyki promieniowania – ukierunkowane 80, standardowe 120 oraz szerokie 150. Dzięki temu nie ma potrzeby zakupu dodatkowych soczewek. Widmo produkowanego światła zostało określone tak, aby wzmacniać procesy absorpcji chlorofilu oraz fotosyntezy – obejmuje długość fal od 450 nm do 660 nm oraz 730 nm. Dodatkowo niewielkie wymiary diod Oslon SSL (3,0 x 3,0 mm2) sprawiają, że nadają się one do ściśle upakowanych zestawów, które zapewniają jednolite oświetlenie roślin.

Jeśli chodzi o projektowanie systemów oświetleniowych, to należy pamiętać, że oprawy i znajdujące się wewnątrz LEDy powinny być odporne na warunki panujące w szklarniach i budynkach z uprawami. Chodzi przede wszystkim o wysoką wilgotność obraz obecność pyłu i środków chemicznych obecnych w nawozach.

Diody LED stanowią mocną alternatywę dla dotychczas stosowanego w ogrodnictwie oświetlenia i czynią opłacalnym nowe metody upraw, takie jak miejskie ogrodnictwo wertykalne. Wytrzymałe i trwałe diody LED są znacznie bardziej przyjazne dla środowiska, a poprzez stosowanie ukierunkowanego światła o długości fali 450, 660 i 730 nanometrów mogą przyspieszać wzrost roślin nawet o 40 proc. przy drastycznym zmniejszeniu zużycia energii. Dodatkowo, dające się przyciemniać i kontrolować LEDy oferują właścicielom upraw dużą elastyczność i pozwalają dostosować światło dokładnie do potrzeb różnych rodzajów roślin.

Alexander Wilm, Osram Opto Semiconductors