Ринок ультрафіолетових (УФ) світлодіодів збільшився у п'ять разів за останнє десятиліття і, за прогнозами, зросте до понад 1 мільярда доларів до 2025 року. Ключовою тенденцією, яка, як очікується, вплине на ринок, є можливість розширення нових додатків, включаючи сільське господарство. Ультрафіолетове світло при правильній частоті та дозуванні може збільшити виробництво активних речовин у лікарських та традиційних рослинах, а також може допомогти зберегти здорове середовище для вирощування. Але щоб повною мірою скористатися перевагами УФ світлодіодів, необхідно внести деякі серйозні зміни в дизайн. Терренс Берланд, генеральний директор Violet Defense Group, материнської компанії Violet Gro, пояснить, у чому ці міркування; наприклад, чому важливо використовувати відповідний матеріал лінз.


rozmarin.jpeg

УФ-світло може збільшити кількість активних речовин у лікарських рослинах.

У зв'язку з вибухом, що відбувається в домашньому та міському сільському господарстві, привабливою є не тільки економія енергії на світлодіодах, а й удосконалення, досягнуті в УФ світлодіодах, дозволяють використовувати додаткові переваги ультрафіолетового світла, особливо УФ-А та УФ-В. кімнатне землеробство. Було показано, що ультрафіолетове світло стимулює збільшення виробництва активних речовин у лікарських рослинах, включаючи антиоксидантні властивості багатьох рослин або рівні ТГК у канабісі. Ультрафіолетове світло також може допомогти підтримувати здорове середовище вирощування за рахунок зменшення кількості плісняви, грибка та деяких шкідників рослин - всі вони потребують альтернатив хімічних речовин через підвищення стійкості до фунгіцидів. Хоча багато провідних світильників, які використовуються в сільському господарстві в приміщеннях, виробляють деякий рівень УФ-спектру (нехай навіть невеликий), матеріали їх зовнішніх лінз блокують більшу частину, якщо не все цього ультрафіолетового світла від фактичного попадання на рослини. У міру того, як ціна на УФ-світлодіоди продовжує знижуватися, покращується здатність економічно ефективно включати цільове УФ-випромінювання у процес вирощування з використанням правильних довжин хвиль, правильного дозування та у потрібний час життєвого циклу конкретних видів рослин. Однак УФ-світлодіоди, як і раніше, необхідно комбінувати з підходящою лінзою, яка забезпечує пропускання УФ-світла без ризику погіршення або руйнування лінзи та/або самого світлодіода.

spectrum.jpg

Малюнок 1. Спектр УФ та видимого світла з класифікацією УФ

Вступ
Історія та довжини хвиль
Ультрафіолетове (УФ) світло є ключовою частиною електромагнітного спектру з довжинами хвиль від 10 до 400 нм. Ця частина спектру знаходиться поза видимого для людського ока діапазону, хоча деякі частини УФ-світла сприймаються комахами і птахами [1]. Більшість УФ-спектру, включаючи весь крайній ультрафіолет (10-100 нм) і більшість спектру нижче 280 нм, поглинається атмосферою. Проте, як і раніше, важливо розуміти переваги кожної частини УФ-спектру, враховуючи нашу здатність штучно створювати ці довжини хвиль.

Класифікація УФ-спектрів, їх використання та переваги:
• УФ-С (200-280 нм): майже повністю поглинається атмосферою Землі,
УФ-С зазвичай використовується через його бактерицидні ефекти.
• УФ-В (280-320 нм): приблизно 95 % УФ-В поглинається
атмосферою Землі і часто відомий своїм зв'язком з
підвищеним ризиком раку шкіри, проте також було показано, що він надає
протимікробну дію, включаючи боротьбу з сільськогосподарськими інфекціями та шкідниками,
такими як борошниста роса чи павуки. кліщі; а також викликає
реакції рослин, які збільшують кількість флавоноїдів та канабіноїдів
• УФ-А (320-400 нм):УФ-А світло, яке часто називають «чорним світлом», має саму
довгу довжину хвилі в УФ-спектрі і вважається найменш
небезпечним; він найбільш відомий в області УФ-затвердіння,
виявлення підробок і судової експертизи, але також має застосування у сільському господарстві, враховуючи його
здатність викликати бажані реакції рослин

Останні досягнення
Більшість індустрії УФ-освітлення переважають інші джерела, крім світлодіодів, особливо ртутні лампи. Однак останніми роками УФ-світлодіоди досягли значного прогресу не лише завдяки досягненням у виробництві твердотільних УФ-пристроїв, а й у результаті зростання тиску, спрямованого на пошук більш екологічно безпечних та енергозберігаючих варіантів виробництва УФ-світла.

Однак світлодіоди тільки недавно змогли повністю пристосувати усі УФ-діапазони. Світлодіоди, що пропускають ультрафіолетове світло у верхній частині діапазону UV-A (390-420 нм), стали доступні з кінця 1990-х років і зазвичай використовуються для виявлення підробок або перевірки прав водія або документів, а також у судовій експертизі [2]. Фактично, більша частина ринку УФ-світлодіодів зайнята промисловими та комерційними додатками для затвердіння, такими як чорнило, покриття або адгезиви, які зазвичай виконуються УФ-А світлом з довжиною хвилі 350-390 нм [3].

У міру того, як ви переходите до більш коротких довжин хвиль УФ-В та УФ-С, додатки перетворюються на дезінфекцію продуктів харчування, повітря, води та поверхонь. Це одні з найновіших довжин хвиль, які будуть доступні у світлодіодах (перша комерційна система знезараження води на основі світлодіодів UV-C була представлена у 2012 році [4]), хоча ультрафіолетове світло має довгу та добре відому історію бактерицидних ефектів. Мало того, що світлодіоди залучають енергозбереження у багатьох галузях промисловості, таких як очищення води, але і їх надзвичайно малі розміри роблять їх дуже гнучким варіантом, включаючи можливість створення портативних систем дезінфекції.

З урахуванням цих досягнень ринок ультрафіолетових світлодіодів збільшився вп'ятеро за останнє десятиліття і, як очікується, зросте до 1,3 мільярда доларів до 2025 року. Очікується, що ключовою тенденцією, що вплине на ринок, є можливість подальшого розширення за рахунок нових додатків, включаючи сонячні продукти, харчову промисловість та сільське господарство [5]. Проте, як і раніше, необхідні додаткові вдосконалення, особливо щодо лінз у цих продуктах, щоб гарантувати, що технологія може досягти бажаних результатів для кожної галузі економічно ефективним чином.

Користь ультрафіолетового випромінювання для садівництва
У зв'язку з вибухом, що відбувається в домашньому та міському сільському господарстві, зростає бажання продовжувати вдосконалювати процес вирощування економічно ефективним способом, який, як і раніше, даватиме позитивні результати для цільових рослин. Більшість існуючих досліджень з використання світлодіодів у сільському господарстві зосереджена на довжинах хвиль видимого світла та спектрі, який потрібний рослинам для різних процесів. У ході великих досліджень НАСА визначила, що світлодіодні ліхтарі є найкращим джерелом світла від одного джерела для вирощування рослин на Землі, а також у космосі [6]. Фактично було проведено безліч досліджень для виявлення взаємозв'язку між різними довжинами хвиль та їх впливом на зростання рослин. Ця інформація дозволить продовжити розробку спектрального освітлення, що налаштовується, яке дасть більш високі результати для станції за більш низьких витрат на енергію. Наприклад, було встановлено, що спектр червоного світла (630-660 нм) необхідний для зростання стебла і розпускання листя. Це т

також довжина хвилі, яка регулює періоди цвітіння та спокою.

У той час як ранні світлодіоди змушували більшість рослин (і виробників) хотіти більшого, новітні сучасні світлодіоди надають життєздатніші варіанти для вирощування в приміщенні, що дає значну економію витрат (у поєднанні з правильним матеріалом лінз), особливо в порівнянні з традиційними варіантами освітлення, такі як натрієва лампа високого тиску (HPS).

Тепер подальші досягнення в області УФ світлодіодів дозволяють цілеспрямовано привнести додаткові переваги ультрафіолетового світла, особливо УФ-А і УФ-В, в процес вирощування в приміщенні. Дослідники виявили, що відсутність ультрафіолету у деяких порід рослин може «розвиватися калусоподібне набухання на листі і тканинах пагонів [7]». Звичайне скло, наприклад, блокує більше 90% УФ-В випромінювання [8], тому рослини, вирощені в теплицях або інших подібних середовищах, без додаткового освітлення можуть мати несприятливі наслідки.

Також було показано, що ультрафіолетове світло сприяє збільшенню виробництва рослинами активних речовин у лікарських рослинах, включаючи антиоксидантні властивості багатьох рослин або рівні ТГК у канабісі. У рослин є хімічні процеси, які дозволяють їм визначати різні довжини хвиль світла, що викликають певні реакції, у тому числі реакції на УФ-світло, які можуть змінити форму рослин та змінити хімічний склад [9]. Тим не менш, ця область фотоніки, як і раніше, вимагає набагато більшої уваги до досліджень, щоб по-справжньому зрозуміти всі впливи, включаючи найкращі методи розгортання.

rozmarin.jpeg

Рисунок 2: УФ-світло може збільшити кількість активних речовин у лікарських рослинах, таких як антиоксидантні властивості розмарину або ТГК.

Один з найбільш поширених способів реакції рослин на ультрафіолетове світло - це синтез та накопичення сполук, що поглинають ультрафіолет. Ці сполуки, включаючи фенольні речовини, діють як сонцезахисний крем для рослин, запобігаючи пошкодженням, які можуть спричинити надмірну дію ультрафіолетового світла. Тим не менш, переваги фенольних сполук не тільки допомагають захистити рослини, але, як було показано, вони також мають значну користь для здоров'я людини, включаючи антиоксидантні властивості та профілактику різних хронічних захворювань, включаючи деякі види раку та серцево-судинні захворювання. Ресвератрол, що міститься у винограді та червоному вині, був вивчений щодо його впливу на серце, імунну систему і навіть функції мозку [10]. Дослідження розмарину показало, що загальна кількість фенольних сполук приблизно подвоюється при вирощуванні з використанням УФ-В випромінювання.

Ще один вид рослин, відомий своїм збільшенням виробництва лікарських сполук під впливом УФ-випромінювання, – це Cannabis sativa. Дослідження показали, що більш високі рівні каннабіноїдів виявляються в рослинах на найнижчих екваторіальних широтах і на висотах (на 32% вище на 3350 м, ніж на 1500 м). Було зроблено припущення, що у цих регіонах світу рівень УФ-В був вищим. Наступні дослідження показали, що вплив УФ-В на рослини може спричинити підвищення рівня Δ9-тетрагідроканнабінолу (Δ9-THC), що має великі лікувальні властивості, до 48% у тканинах листя і 32% у тканинах квітів [12].

Ультрафіолетове світло також може допомогти підтримувати здорове середовище вирощування за рахунок зменшення кількості плісняви, грибка та деяких шкідників рослин - всі вони потребують альтернатив хімічних речовин через підвищення стійкості до фунгіцидів. З'єднання, що поглинають ультрафіолетове випромінювання, вироблені рослинами для захисту їх від надто великої кількості ультрафіолетового випромінювання, також можуть допомогти захистити рослини від інфекцій, травм та деяких шкідників рослин. Начебто ці сполуки змінюють «привабливість» рослин для цих шкідників.

Однією з основних загроз для кімнатних виробників є борошниста роса. Однак було продемонстровано, що ультрафіолетове світло значно знижує утворення плісняви на рослинах, включаючи виноград, троянди, огірки, розмарин та полуницю. Дослідники успішно знизили серйозність борошнистої роси на 90-99%, використовуючи належні дози УФ-В [13].

УФ-B світло також довів свою ефективність у скороченні виживання кліщів, шкідників, які, як відомо, знищують цілі посіви. У дослідженні Ohtsuka і Osakabe менше 6% личинок, що зазнали дози УФ-В, вижили на другий день, а всі личинки загинули на третій день експерименту [14].

Третьою серйозною загрозою є Botrytis cinerea, тип сірої гнили або часто званої сірої гниллю, яка вражає близько 200 різних видів, зазвичай з фруктами або квітами, включаючи полуницю, виноград та канабіс. Цей шкідник зазвичай заноситься з вулиці, а потім поширюється в приміщенні для вирощування через повітря або взуття та одяг. Отже, боротьба з цим шкідником може включати дезінфекцію повітря у приміщенні та/або дезінфекцію підлоги. Дослідження показали, що суперечки Botrytis cinerea найбільше ефективно лікувати за допомогою УФ-випромінювання. Mercier та інші. ін (2001) досягли ступеня дезінфекції більше 90% при дозуванні УФ-С 440-2200 Дж/м² [15].

За останні кілька десятиліть кількість доказів, що підтверджують користь ультрафіолетового світла для захисту сільськогосподарських культур від плісняви, грибка та інших шкідників рослин, а також здатність посилювати лікувальні властивості рослин надзвичайно зросла. Тим не менш, все ще існують серйозні проблеми з тим, як успішно ввімкнути ультрафіолет у приміщенні для вирощування.

muchnistaya_rosa.jpg

Рисунок 3: Мучниста роса та кліщі становлять значну загрозу для багатьох культур, але її можна значно зменшити за допомогою УФ-випромінювання.

Рекомендації щодо інтеграції ультрафіолетового випромінювання до домашнього сільськогосподарського освітлення
Думаючи про УФ-світлодіоди, не можна зупинятися тільки на світлодіодах. УФ-світлодіодна система повинна враховувати конкретні світлодіоди залежно від необхідної дози УФ-випромінювання, довжини хвилі, необхідної для застосування, та розташування освітлення щодо рослинного покриву. Однак потім ви повинні також додати терморегулятор, оптичну конструкцію, джерело живлення та драйвер [16] і, що найважливіше, матеріал лінзи.

Визначте дозування та довжину хвилі, необхідну для нанесення
При вирощуванні в приміщенні критично важливо визначити спектр, який найкраще відповідає потребам ваших рослин, оскільки вплив різних довжин хвиль залежить від того, де ви знаходитесь у циклі вирощування, та від конкретних видів рослин. Наприклад, у видимому спектрі невеликий відсоток зеленого світла (до 24% для певних видів) може бути корисним для підтримки росту рослин, але дослідження показали, що він залежить від виду і що більше 50% може шкідливо впливати. ефекти [17]. Те саме вірно і при включенні ультрафіолетового світла в сільськогосподарське освітлення - ви повинні чітко розуміти, чого ви намагаєтеся досягти для своїх рослин.

У кількох сценаріях може знадобитися інтеграція УФ-випромінювання до основного джерела освітлення у приміщенні для вирощування рослин. Наприклад, ресвератрол, лікарська речовина, вироблена рослинами у відповідь на стрес, утворюється в результаті хімічної реакції, що вимагає УФ-А випромінювання з довжиною хвилі нижче 360 нм. Виробники, зацікавлені у підвищенні рівня конкретних флавоноїдів або каннабіноїдів, ймовірно, захочуть націлити на УФ-А, УФ-В або їхню комбінацію для досягнення цільового ефекту.

Якщо виробник зацікавлений у запобіганні зараженню конкретними шкідниками рослин, такими як борошниста роса, павутинні кліщі, додаткове освітлення, призначене для доставки певних доз УФ-В-світла, має вирішальне значення для боротьби з цими шкідниками рослин. Для лікування Botrytis cinerea УФ-світло може бути інтегрований у методи, призначені для дезінфекції повітря в приміщенні, або як цільове додаткове освітлення, яке можна використовувати для забезпечення правильного дозування УФ-світла у звичайному циклі лікування. Враховуючи різні потреби та можливості застосування УФ-випромінювання у сільському господарстві, важливо співпрацювати з освітлювальною компанією, яка розуміє, як УФ-випромінювання застосовується як для прискорення зростання, так і для дезінфекції/боротьби зі шкідниками.

Вимірювання світлового потоку
Оцінюючи освітлювальної арматури чи окремих світлодіодних компонентів загальна методологія включає порівняння результатів вимірювання світловіддачі, рекламованих різними виробниками. Однак слід виявляти крайню обережність, щоб переконатися, що ви дійсно порівнюєте одні й ті самі виміри для різних варіантів, і майте на увазі, що багато продуктів/компаній не розкривають належним чином параметри свого тестування, включаючи критичний параметр, який називають відстанню. Без урахування відмінностей у цих параметрах порівняння чисел безглуздо.

Крім того, багато наявних на ринку датчиків призначені тільки для вимірювання певних частин електромагнітного спектру і можуть неправильно захоплювати обрані частини, часто включаючи далекий червоний кінець видимого спектра і ультрафіолетовий кінець невидимого спектра. Наприклад, при конкретній оцінці варіантів освітлення з використанням щільності потоку фотосинтетичних фотонів (PPFD) важливо розуміти, що датчик уловлюватиме будь-яку енергію з довжинами хвиль, на які він відкалібрований. Однак не всі довжини хвиль несуть однакову енергію, і не всі довжини хвиль однаково цінні або привабливі для рослин, і багато ключових довжин хвиль можуть бути виключені через обмеження вимірювальних можливостей датчика.

Енергія кожного фотона обернено пропорційна довжині хвилі відповідної електромагнітної хвилі. Чим коротше довжина хвилі, тим більше енергійний фотон, чим довша довжина хвилі, тим менш енергійний фотон. Отже, червоне світло має менше енергії, ніж жовте або зелене світло, хоча червоне світло більш бажане для рослин з погляду фотосинтезу та інших хімічних процесів рослин. Іншими словами, джерела світла, що виробляють велику кількість жовтого та зеленого світла, можуть давати вищі показання PPFD, але можуть не давати світло, необхідне рослинам.

Якщо оцінювати виключно варіанти УФ-освітлення, слід зазначити, що хоча існує широкий спектр УФ-радіометрів, призначених для вимірювання УФ-випромінювання, що генерується традиційними широкосмуговими системами ртутної дуги, які в основному виробляють УФ-С, вони не будуть належним чином вимірювати УФ -випромінювання, що створюється УФ-світлодіоди, особливо якщо

ваша світлова конструкція включає кілька УФ-піків, які не збігаються з цільовим спектром датчика, що використовується. Багато виробників мікросхем УФ-світлодіодів будуть вимірювати УФ-випромінювання своїх світлодіодів в інтегруючій сфері, також відомої як сфера Ульбріхта [18], яка може бути чи не бути добрим показником того, що насправді буде на заводі.

Навіть якщо з використанням відповідних датчиків для вимірювання світловіддачі будуть вжиті належні запобіжні заходи, самі рослини в кінцевому підсумку є найкращим суддею про характеристики ваших джерел світла і здатність досягти бажаних результатів, і вам слід серйозно подумати про тестування в навколишньому середовищі, щоб допомогти перевірити претензії продукції.

Вплив лінзи
При виборі світлодіодного освітлення для рослин важливо пам'ятати, що хоча рослини можуть не отримувати занадто багато світла, вони, безумовно, можуть отримувати занадто багато тепла. Хоча світлодіоди більш ефективні, ніж ртутні лампи, дослідження показують, що УФ-світлодіоди передають у світ лише близько 15-25% отриманої вхідної потужності [19]. Решта передається у вигляді тепла, тому керування температурним режимом має бути важливою частиною системи.

Крім того, коли світло випромінює довжини хвиль в областях спектру, які не потрібні рослинам, фотони, що не поглинаються рослиною, зрештою перетворюються на тепло в навколишньому середовищі, що потребує більш високих витрат на охолодження - як з точки зору поточних потреб в електриці, так і з погляду наперед витрати на інфраструктуру.

Подібно до покриття теплиць, деякі типи лінз, такі як зовнішня скляна оболонка від HPS-освітлення, фактично блокують більшу частину ультрафіолетового світла від попадання на рослини, перетворюючи це світло в тепло.

Ще одним фактором використання УФ-світлодіодів або навіть темно-синіх світлодіодів є те, що більшість матеріалів лінз згодом будуть піддаватися значній деградації, що призведе до зниження ефективності, і це може навіть викликати утримання достатньої кількості тепла, щоб зрештою зруйнувати сам світлодіод. .

Однак нові досягнення, такі як запатентована технологія від Violet Gro, дозволяють комбінувати джерело ультрафіолетового світла зі спеціальним класом матеріалу лінз, що пропускають ультрафіолетове випромінювання, у прямому та безпосередньому контакті, не викликаючи цих шкідливих ефектів. Ця унікальна лінза та пов'язаний з нею прямий контакт з ультрафіолетовими світлодіодами дозволяють передавати більше ультрафіолетового світла та проектувати через лінзу до передбачуваного джерела, тим самим підвищуючи ефективність та знижуючи тепловиділення. Це вигідно як для терміну служби світлодіодів, так і для суттєвого зниження вимог до охолодження у приміщенні для вирощування рослин.

diod1.jpg

Малюнок 4: Приклад руйнування світлодіода через тепло, що залишилося всередині лінзи

Що далі
Оскільки УФ-світлодіоди продовжують дешевшати, здатність ефективно включати УФ-випромінювання у процес вирощування з використанням правильних довжин хвиль, правильного дозування та у потрібний час життєвого циклу конкретних видів рослин різко зростає. Ця реальність дозволить проводити подальші дослідження та розробку УФ-рішень, включаючи визначення оптимальних комбінацій довжин хвиль УФ-випромінювання та дозувань для досягнення бажаного ефекту для конкретних видів рослин.

Незалежно від бажаного росту рослин або результатів боротьби зі шкідниками, для ефективності та довговічності світла УФ-світлодіоди все одно необхідно комбінувати з відповідною лінзою, що пропускає ультрафіолет, яка забезпечує пропускання ультрафіолетового світла без ризику деградації або руйнування лінз і/або сам світлодіод.