Рынок ультрафиолетовых (УФ) светодиодов увеличился в пять раз за последнее десятилетие и, по прогнозам, вырастет до более чем 1 миллиарда долларов к 2025 году. Ключевой тенденцией, которая, как ожидается, повлияет на рынок, является возможность расширения для новых приложений, включая сельское хозяйство. Ультрафиолетовый свет при правильной частоте и дозировке может увеличить производство активных веществ в лекарственных и традиционных растениях, а также может помочь сохранить здоровую среду для выращивания. Но чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами УФ-светодиодов, необходимо внести некоторые серьезные изменения в дизайн. Терренс Берланд, генеральный директор Violet Defense Group, материнской компании Violet Gro, объяснит, в чем заключаются эти соображения; например, почему так важно использовать соответствующий материал линз.
rozmarin.jpeg

УФ-свет может увеличить количество активных веществ в лекарственных растениях.



 

В связи со взрывом, происходящим в домашнем и городском сельском хозяйстве, привлекательной является не только экономия энергии на светодиодах, но и усовершенствования, достигнутые в УФ-светодиодах, позволяют использовать дополнительные преимущества ультрафиолетового света, особенно УФ-А и УФ-В. комнатное земледелие. Было показано, что ультрафиолетовый свет стимулирует увеличение производства активных веществ в лекарственных растениях, включая антиоксидантные свойства многих растений или уровни ТГК в каннабисе. Ультрафиолетовый свет также может помочь поддерживать здоровую среду выращивания за счет уменьшения количества плесени, грибка и некоторых вредителей растений - все они нуждаются в альтернативах химическим веществам из-за повышения устойчивости к фунгицидам. Хотя многие ведущие светильники, используемые в сельском хозяйстве в помещениях, производят некоторый уровень УФ-спектра (пусть даже небольшой), материалы их внешних линз блокируют большую часть, если не все этого ультрафиолетового света от фактического попадания на растения. По мере того, как цена на УФ-светодиоды продолжает снижаться, улучшается способность экономически эффективно включать целевое УФ-излучение в процесс выращивания с использованием правильных длин волн, правильной дозировки и в нужное время жизненного цикла конкретных видов растений. Однако УФ-светодиоды по-прежнему необходимо комбинировать с подходящей линзой, которая обеспечивает пропускание УФ-света без риска ухудшения или разрушения линзы и / или самого светодиода.

spectrum.jpgРисунок 1. Спектр УФ и видимого света с классификацией УФ

Введение

История и длины волн

Ультрафиолетовый (УФ) свет является ключевой частью электромагнитного спектра с длинами волн от 10 до 400 нм. Эта часть спектра находится за пределами видимого для человеческого глаза диапазона, хотя некоторые части УФ-света воспринимаются насекомыми и птицами [1]. Большая часть УФ-спектра, включая весь крайний ультрафиолет (10–100 нм) и большая часть спектра ниже 280 нм, поглощается атмосферой. Тем не менее, по-прежнему важно понимать преимущества каждой части УФ-спектра, учитывая нашу способность искусственно создавать эти длины волн.

Классификация УФ-спектров, их использование и преимущества:
• УФ-С (200-280 нм): почти полностью поглощается атмосферой Земли,
  УФ-С обычно используется из-за его бактерицидных эффектов
• УФ-В (280-320 нм): примерно 95 % УФ-В поглощается
  атмосферой Земли и часто известен своей связью с
  повышенным риском рака кожи, однако также было показано, что он оказывает
  противомикробное действие, включая борьбу с сельскохозяйственными инфекциями и вредителями,
  такими как мучнистая роса или пауки. клещи; а также вызывает
  реакции растений, которые увеличивают количество флавоноидов и каннабиноидов
• УФ-А (320-400 нм):УФ-А свет, который часто называют «черным светом», имеет самую
  длинную длину волны в УФ-спектре и считается наименее
  опасным; он наиболее известен в области УФ-отверждения,
  обнаружения подделок и судебной экспертизы, но также имеет применение в сельском хозяйстве, учитывая его
  способность вызывать желаемые реакции растений

Последние достижения

В большей части индустрии УФ-освещения преобладают другие источники, помимо светодиодов, особенно ртутные лампы. Однако в последние годы УФ-светодиоды добились значительного прогресса не только благодаря достижениям в производстве твердотельных УФ-устройств, но и в результате возросшего давления, направленного на поиск более экологически безопасных и энергосберегающих вариантов производства УФ-света.

Однако светодиоды только недавно смогли полностью приспособить все УФ-диапазоны. Светодиоды, пропускающие ультрафиолетовый свет в верхней части диапазона UV-A (390–420 нм), стали доступны с конца 1990-х годов и обычно используются для обнаружения подделок или проверки водительских прав или документов, а также в судебной экспертизе [2]. Фактически, большая часть рынка УФ-светодиодов занята промышленными и коммерческими приложениями для отверждения, такими как чернила, покрытия или адгезивы, обычно выполняемые УФ-А светом с длиной волны 350–390 нм [3].

По мере того, как вы переходите к более коротким длинам волн УФ-В и УФ-С, приложения превращаются в дезинфекцию продуктов питания, воздуха, воды и поверхностей. Это одни из новейших длин волн, которые будут доступны в светодиодах (первая коммерческая система обеззараживания воды на основе светодиодов UV-C была представлена ​​в 2012 году [4]), хотя ультрафиолетовый свет имеет долгую и хорошо известную историю бактерицидных эффектов. Мало того, что светодиоды привлекают энергосбережение во многих отраслях промышленности, таких как очистка воды, но и их чрезвычайно малые размеры делают их очень гибким вариантом, включая возможность создания портативных систем дезинфекции.

С учетом этих достижений рынок ультрафиолетовых светодиодов увеличился в пять раз за последнее десятилетие и, как ожидается, вырастет до 1,3 миллиарда долларов к 2025 году. Ожидается, что ключевой тенденцией, которая повлияет на рынок, является возможность дальнейшего расширения за счет новых приложений, включая солнечные продукты, пищевая промышленность и сельское хозяйство [5]. Тем не менее, по-прежнему необходимы дополнительные усовершенствования, особенно в том, что касается линз в этих продуктах, чтобы гарантировать, что технология может достичь желаемых результатов для каждой отрасли экономически эффективным образом.

Польза ультрафиолетового излучения для садоводства

В связи со взрывом, происходящим в домашнем и городском сельском хозяйстве, растет желание продолжать совершенствовать процесс выращивания экономически эффективным способом, который по-прежнему будет давать положительные результаты для целевых растений. Большая часть существующих исследований по использованию светодиодов в сельском хозяйстве сосредоточена на длинах волн видимого света и спектре, который нужен растениям для различных процессов. В ходе обширных исследований «НАСА определила, что светодиодные фонари являются лучшим источником света от одного источника для выращивания растений на Земле, а также в космосе [6]». Фактически, было проведено множество исследований для выявления взаимосвязи между различными длинами волн и их влиянием на рост растений. Эта информация позволит продолжить разработку настраиваемого спектрального освещения, которое даст более высокие результаты для станции при более низких затратах на энергию. Например, Было установлено, что спектр красного света (630-660 нм) необходим для роста стебля и распускания листьев. Это также длина волны, которая регулирует периоды цветения и покоя.

В то время как ранние светодиоды заставляли большинство растений (и производителей) хотеть большего, новейшие современные светодиоды предоставляют более жизнеспособные варианты для выращивания в помещении, что дает значительную экономию затрат (в сочетании с правильным материалом линз), особенно по сравнению с традиционными варианты освещения, такие как натриевая лампа высокого давления (HPS).

Теперь дальнейшие достижения в области УФ-светодиодов позволяют целенаправленно привнести дополнительные преимущества ультрафиолетового света, особенно УФ-А и УФ-В, в процесс выращивания в помещении. Исследователи обнаружили, что в отсутствие ультрафиолета у некоторых пород растений может «развиваться каллусоподобное набухание на листьях и тканях побегов [7]». Обычное стекло, например, блокирует более 90% УФ-В излучения [8], поэтому растения, выращенные в теплицах или других подобных средах, без дополнительного освещения могут испытывать неблагоприятные последствия.

Также было показано, что ультрафиолетовый свет способствует увеличению производства растениями активных веществ в лекарственных растениях, включая антиоксидантные свойства многих растений или уровни ТГК в каннабисе. У растений есть химические процессы, которые позволяют им определять различные длины волн света, которые вызывают определенные реакции, в том числе реакции на УФ-свет, которые могут изменить форму растений и изменить химический состав [9]. Тем не менее, эта область фотоники по-прежнему требует гораздо большего внимания к исследованиям, чтобы по-настоящему понять все воздействия, включая лучшие методы развертывания.

rozmarin.jpegРисунок 2: УФ-свет может увеличить количество активных веществ в лекарственных растениях, таких как антиоксидантные свойства розмарина или ТГК.

Один из наиболее распространенных способов реакции растений на ультрафиолетовый свет - это синтез и накопление соединений, поглощающих ультрафиолет. Эти соединения, включая фенольные вещества, действуют как солнцезащитный крем для растений, предотвращая повреждения, которые может вызвать чрезмерное воздействие ультрафиолетового света. Тем не менее, преимущества фенольных соединений не только помогают защитить растения, но, как было показано, они также имеют значительную пользу для здоровья человека, включая антиоксидантные свойства и профилактику различных хронических заболеваний, включая некоторые виды рака и сердечно-сосудистые заболевания. Ресвератрол, содержащийся в винограде и красном вине, был изучен на предмет его воздействия на сердце, иммунную систему и даже функции мозга [10]. Исследование розмарина показало, что его общее количество фенольных соединений примерно удваивается при выращивании с использованием УФ-В излучения.

Еще один вид растений, известный своим увеличением производства лекарственных соединений под воздействием УФ-излучения, - это Cannabis sativa. Исследования показали, что более высокие уровни каннабиноидов обнаруживаются в растениях на самых низких экваториальных широтах и ​​на больших высотах (на 32% выше на 3350 м, чем на 1500 м). Было сделано предположение, что в этих регионах мира уровень УФ-В был выше. Последующие исследования показали, что воздействие УФ-В на растения может вызвать повышение уровня Δ9-тетрагидроканнабинола (Δ9-THC), обладающего обширными лечебными свойствами, до 48% в тканях листьев и 32% в тканях цветов [12].

Ультрафиолетовый свет также может помочь поддерживать здоровую среду выращивания за счет уменьшения количества плесени, грибка и некоторых вредителей растений - все они нуждаются в альтернативах химическим веществам из-за повышения устойчивости к фунгицидам. Соединения, поглощающие ультрафиолетовое излучение, производимые растениями для защиты их от слишком большого количества ультрафиолетового излучения, также могут помочь защитить растения от инфекций, травм и некоторых вредителей растений. Как будто эти соединения меняют «привлекательность» растений для этих вредителей.

Одной из основных угроз для комнатных производителей является мучнистая роса. Однако было продемонстрировано, что ультрафиолетовый свет значительно снижает образование плесени на растениях, включая виноград, розы, огурцы, розмарин и клубнику. Исследователи успешно снизили серьезность мучнистой росы на 90-99%, используя надлежащие дозы УФ-В [13].

УФ-B свет также доказал свою эффективность в сокращении выживаемости клещей, вредителей, которые, как известно, уничтожают целые посевы. В исследовании Ohtsuka и Osakabe менее 6% личинок, подвергшихся дозе УФ-B, выжили на второй день, а все личинки погибли к третьему дню эксперимента [14].

Третьей серьезной угрозой является Botrytis cinerea, тип серой гнили или часто называемой серой гнилью, которая поражает около 200 различных видов, обычно с фруктами или цветами, включая клубнику, виноград и каннабис. Этот вредитель обычно заносится с улицы, а затем распространяется в помещении для выращивания через воздух или через обувь и одежду. Следовательно, борьба с этим вредителем может включать дезинфекцию воздуха в помещении и / или дезинфекцию пола. Исследования показали, что споры Botrytis cinerea наиболее эффективно лечить с помощью УФ-излучения. Mercier et. др. (2001) достигли степени дезинфекции более 90% при дозировке УФ-С 440-2200 Дж / м² [15].

За последние несколько десятилетий количество доказательств, подтверждающих пользу ультрафиолетового света для защиты сельскохозяйственных культур от плесени, грибка и других вредителей растений, а также способность усиливать лечебные свойства растений, чрезвычайно возросло. Тем не менее, все еще существуют серьезные проблемы с тем, как успешно включить ультрафиолет в помещении для выращивания.

muchnistaya_rosa.jpgРисунок 3: Мучнистая роса и клещи представляют значительную угрозу для многих культур, но ее можно значительно уменьшить с помощью УФ-излучения.

Рекомендации по интеграции ультрафиолетового излучения в домашнее сельскохозяйственное освещение

Думая об УФ-светодиодах, нельзя останавливаться только на светодиодах. УФ-светодиодная система должна учитывать конкретные светодиоды в зависимости от необходимой дозы УФ-излучения, длины волны, необходимой для применения, и расположения освещения относительно растительного покрова. Однако затем вы должны также добавить терморегулятор, оптическую конструкцию, источник питания и драйвер [16] и, что наиболее важно, материал линзы.

Определите дозировку и длину волны, необходимую для нанесения

При выращивании в помещении критически важно определить спектр, который лучше всего соответствует потребностям ваших растений, поскольку влияние различных длин волн зависит от того, где вы находитесь в цикле выращивания, и от конкретных видов растений. Например, в видимом спектре небольшой процент зеленого света (до 24% для определенных видов) может быть полезен для поддержки роста растений, но исследования показали, что он зависит от вида и что более 50% может оказывать вредное воздействие. эффекты [17]. То же самое верно и при включении ультрафиолетового света в сельскохозяйственное освещение - вы должны четко понимать, чего вы пытаетесь достичь для своих растений.

В нескольких сценариях может потребоваться интеграция УФ-излучения в основной источник освещения в помещении для выращивания растений. Например, ресвератрол, лекарственное вещество, вырабатываемое растениями в ответ на стресс, образуется в результате химической реакции, требующей УФ-А излучения с длиной волны ниже 360 нм. Производители, заинтересованные в повышении уровня конкретных флавоноидов или каннабиноидов, вероятно, захотят нацелить на УФ-А, УФ-В или их комбинацию для достижения целевого эффекта.

Если производитель заинтересован в предотвращении заражения конкретными вредителями растений, такими как мучнистая роса, паутинные клещи, дополнительное освещение, предназначенное для доставки определенных доз УФ-В-света, имеет решающее значение для борьбы с этими вредителями растений. Для лечения Botrytis cinerea УФ-свет может быть интегрирован в методы, предназначенные для дезинфекции воздуха в помещении, или в качестве целевого дополнительного освещения, которое можно использовать для обеспечения правильной дозировки УФ-света в обычном цикле лечения. Учитывая различные потребности и возможности применения УФ-излучения в сельском хозяйстве, важно сотрудничать с осветительной компанией, которая понимает, как УФ-излучение применяется как для ускорения роста, так и для дезинфекции / борьбы с вредителями.

Измерение светового потока

При оценке осветительной арматуры или отдельных светодиодных компонентов общая методология включает сравнение результатов измерения светоотдачи, рекламируемых различными производителями. Однако следует проявлять крайнюю осторожность, чтобы убедиться, что вы действительно сравниваете одни и те же измерения для различных вариантов, и имейте в виду, что многие продукты / компании не раскрывают надлежащим образом параметры своего тестирования, включая критический параметр, называемый расстоянием. Без учета различий в этих параметрах сравнение чисел бессмысленно.

Кроме того, многие из имеющихся на рынке датчиков предназначены только для измерения определенных частей электромагнитного спектра и могут неправильно захватывать выбранные части, часто включая дальний красный конец видимого спектра и ультрафиолетовый конец невидимого спектра. Например, при конкретной оценке вариантов освещения с использованием плотности потока фотосинтетических фотонов (PPFD) важно понимать, что датчик будет улавливать любую энергию с длинами волн, на которые он откалиброван. Однако не все длины волн несут одинаковую энергию, и не все длины волн одинаково ценны или привлекательны для растений, и многие ключевые длины волн могут быть исключены из-за ограничений измерительных возможностей датчика.

Энергия каждого фотона обратно пропорциональна длине волны соответствующей электромагнитной волны. Чем короче длина волны, тем более энергичен фотон, чем длиннее длина волны, тем менее энергичен фотон. Следовательно, красный свет имеет меньше энергии, чем желтый или зеленый свет, хотя красный свет более желателен для растений с точки зрения фотосинтеза и других химических процессов растений. Другими словами, источники света, производящие большое количество желтого и зеленого света, могут давать более высокие показания PPFD, но могут не давать свет, необходимый растениям.

Если оценивать исключительно варианты УФ-освещения, следует отметить, что, хотя существует широкий спектр УФ-радиометров, предназначенных для измерения УФ-излучения, генерируемого традиционными широкополосными системами ртутной дуги, которые в основном производят УФ-С, они не будут должным образом измерять УФ-излучение, создаваемое УФ-светодиоды, особенно если ваша световая конструкция включает несколько УФ-пиков, которые не совпадают с целевым спектром используемого датчика. Многие производители микросхем УФ-светодиодов будут измерять УФ-излучение своих светодиодов в интегрирующей сфере, также известной как сфера Ульбрихта [18], которая может быть или не быть хорошим показателем того, что на самом деле будет на заводе.

Даже если с использованием соответствующих датчиков для измерения светоотдачи будут приняты надлежащие меры предосторожности, сами растения в конечном итоге являются лучшим судьей о характеристиках ваших источников света и способности достичь желаемых результатов, и вам следует серьезно подумать о тестировании в окружающей среде, чтобы помочь проверить претензии производителей продукции.

Воздействие линзы

При выборе светодиодного освещения для растений критически важно помнить, что хотя растения могут не получать слишком много света, они, безусловно, могут получать слишком много тепла. Хотя светодиоды более эффективны, чем ртутные лампы, исследования показывают, что УФ-светодиоды передают в свет только около 15-25% [19] полученной входной мощности. Остальное передается в виде тепла, поэтому управление температурным режимом должно быть важной частью системы.

Кроме того, когда свет излучает длины волн в областях спектра, которые не нужны растениям, фотоны, не поглощаемые растением, в конечном итоге превращаются в тепло в окружающей среде, что требует более высоких затрат на охлаждение - как с точки зрения текущих потребностей в электричестве, так и с точки зрения заранее затраты на инфраструктуру.

Подобно покрытиям теплиц, некоторые типы линз, такие как внешняя стеклянная оболочка от HPS-освещения, фактически блокируют большую часть ультрафиолетового света от попадания на растения, преобразовывая этот свет в тепло.

Еще одним фактором использования УФ-светодиодов или даже темно-синих светодиодов является то, что большинство материалов линз со временем будут подвергаться значительной деградации, что приведет к снижению эффективности, и это может даже вызвать удержание достаточного количества тепла, чтобы в конечном итоге разрушить сам светодиод.

Однако новые достижения, такие как запатентованная технология от Violet Gro, позволяют комбинировать источник ультрафиолетового света со специальным классом материала линз, пропускающих ультрафиолетовое излучение, в прямом и непосредственном контакте, не вызывая этих вредных эффектов. Эта уникальная линза и связанный с ней прямой контакт с ультрафиолетовыми светодиодами позволяют передавать больше ультрафиолетового света и проецировать через линзу к предполагаемому источнику, тем самым повышая эффективность и снижая тепловыделение. Это выгодно как для срока службы светодиодов, так и для существенного снижения требований к охлаждению в помещении для выращивания растений.

diod1.jpgРисунок 4: Пример разрушения светодиода из-за тепла, оставшегося внутри линзы

Что дальше

Поскольку УФ-светодиоды продолжают дешеветь, способность эффективно включать УФ-излучение в процесс выращивания с использованием правильных длин волн, правильной дозировки и в нужное время жизненного цикла конкретных видов растений резко возрастает. Эта реальность позволит проводить дальнейшие исследования и разработку УФ-решений, включая определение оптимальных комбинаций длин волн УФ-излучения и дозировок для достижения желаемого эффекта для конкретных видов растений.

Независимо от желаемого роста растений или результатов борьбы с вредителями, для эффективности и долговечности света УФ-светодиоды все равно необходимо комбинировать с соответствующей пропускающей ультрафиолет линзой, которая обеспечивает пропускание ультрафиолетового света без риска деградации или разрушения линз и / или или сам светодиод.