1. Işık Kalitesi Düzenlemesi: Bitki Işık Kodunu Kırmak
Bitkiler ışığı nasıl kullanacakları konusunda oldukça seçicidirler. Bitkiler, fotosentez için yalnızca 400-700 nm aralığındaki görünür ışığı (güneş radyasyonunun yaklaşık %43-52,5'ini oluşturur) emebilir. Ana emilim zirveleri kırmızı ışık (610–720 nm) ve mavi ışıktır (400–510 nm). LED bitki ışıkları, aynı anda yalnızca tek renkli ışık göndermek için yarı iletken malzemelerin fotoelektrik özelliklerini kullanır. Ayrıca çipleri birleştirerek ince spektrum kontrolünü de başarabilirler.
660nm kırmızı ışık, bitkilerin ışığa duyarlı pigmentlerini etkinleştirerek bitkilerin daha fazla klorofil üretmesine ve daha fazla karbonhidrat depolamasına yardımcı olur. Domates bitkisindeki kırmızı ışık miktarı %60'a çıktığında meyvenin çözünebilir şeker içeriği %18, C vitamini içeriği ise %25 oranında artmaktadır. Nanjing Ziraat Üniversitesi'nde yapılan bir araştırma, krizantem kök bölümlerinin kırmızı ışığa maruz kaldığında %100 oranında köklendiğini, bunun da doğal ışığa maruz kaldığında %40 daha fazla kök olduğunu buldu.
Mavi ışık kuralları: 450nm mavi ışık, klorofil yapımı ve büyüyen gövde ve yapraklar için en önemli ışıktır. %30 mavi ışıklı bir ortamda marulun yapraklarında %22 daha fazla klorofil vardı ve sapları %15 daha kalındı. Mavi ışık ayrıca bitkilerin çok fazla büyümesini engelleyerek onları daha kompakt hale getirebilir ve alanı daha iyi kullanmalarına yardımcı olabilir.
730nm uzak kırmızı ışık, hücre uzamasını ve çiçeklenme süresini modüle etmek için bitki ışığa duyarlılaştırıcı B (PhyB) ile birlikte çalışır. Çilek bitkilerine %10 uzak kırmızı ışık eklenmesi, sürünen sapların boğum aralarını %20 daha kısa hale getirebilir ve meyvenin olgunlaşmasını 5 gün hızlandırabilir.
Tam-spektrum simülasyonu: Üst düzey LED sistemleri, ultraviyole ışık (380–400 nm) ve kızılötesi ışık (700–1000 nm) içeren güneş spektrumunu- kopyalayabilir. Bitkiler UV ışığına maruz kaldıklarında likopen ve antosiyaninler de dahil olmak üzere daha fazla ikincil metabolit üretebilirler. Kızılötesi ışık bitkilerin nefes almasına ve doğru sıcaklıkta kalmasına yardımcı olur.
2. Işık yoğunluğunu ve fotoperiyodu kontrol etmek: Geliştirme ihtiyaçlarının tam olarak karşılandığından emin olmak
Bitki fotosentezinde ışık dengeleme noktaları (fotosentetik hızın solunum hızına eşit olduğu) ve ışık doygunluğu noktaları (fotosentetik hızın daha fazla ışıkla artmadığı) vardır. LED sistemi, farklı büyüme aşamalarındaki bitkilerin ihtiyaçlarına otomatik olarak uyum sağlamak için akıllı karartma teknolojisini kullanır.
Fide aşamasında köklerin büyümesine ve yaprakların genişlemesine yardımcı olmak için %40 mavi ışık ve %50 kırmızı ışık karışımı kullanın. Lianyungang'daki Yuntai Çiftliği'nde, Phalaenopsis'in akıllı ekim odasında, LED ek ışık, doku-kültüründe yetiştirilen fidelerin köklenme süresini 7 gün kısaltıyor ve yüksek-kaliteli fidelerin oranını %30 artırıyor.
Besinsel büyüme döneminde yapraklardaki fotosentezi hızlandırmak için kırmızı ışık miktarını (%60-70) artırın. Bu spektral formül, bir fabrikadaki marulun büyüme döngüsünü 60 günden 45 güne kısaltır ve birim alandan verimi %40 artırır.
Üreme büyüme dönemi: Bitkilerin çiçek açmasını sağlamak için kırmızı ışığın uzak kırmızı ışığa oranını değiştirin (5:1). Çok fazla büyümelerini önlemek için mavi ışık ekleyin. Bu öneri çileğin şeker içeriğini %15 artırıyor ve pazar süresini 10 gün ileri taşıyor.
Fotosiklusun düzenlenmesi: Bitkilerin çiçeklenme zamanının sirkadyen döngüyü takip etmesini sağlamak için bir zamanlayıcı kullanın. Kasımpatı gibi kısa gün bitkileri, 12 saat ışık ve 12 saat karanlık koşullarında, kendi doğal ortamlarına göre 20 gün daha erken çiçek açarlar.
3. Akıllı kontrol sistemi: kapalı-döngülü, aydınlık bir ortam oluşturmak
Yeni LED bitki ışık sistemi, ışık ortamını kapalı bir döngüde düzenlemek için IoT sensörlerini, yapay zeka algoritmalarını ve aktüatörleri kullanıyor.
Çevresel algı katmanı: Işık yoğunluğu, spektral dağılım ve bitki büyüme faktörleri hakkında gerçek-zamanlı veriler elde etmek amacıyla bitki fenotipikini izlemek için ışık kuantum sensörlerini (PPFD'yi ölçmek için), spektrum analizörlerini ve ekipmanı kullanın.
Karar verme katmanı: Yapay zeka algoritmaları, bitkilerin nasıl büyüdüğüne ilişkin modellere dayalı olarak spektral formülleri ve ışık süresini gerçek zamanlı olarak değiştirir. Örneğin domates yapraklarındaki klorofil konsantrasyonu azaldığında sistem otomatik olarak kırmızı ışık miktarını artırıyor ve ışıkları daha uzun süre açık tutuyor.
Yönetici katmanı: %0'dan %100'e kadar kademesiz karartma elde etmek için kısılabilir bir LED sürücü modülünün kullanılması. Çok-katmanlı bir yetiştirme sisteminde, ışığın eşit olduğundan emin olmak için her aydınlatma katmanını ayrı ayrı ayarlayabilirsiniz.
Enerji yönetiminden sorumlu ekip: Enerjiden en iyi şekilde yararlanmak için fotovoltaik enerji üreten ve enerji depolama cihazlarını bir arada kullanmak. Şangay Sunqiao Modern Tarımsal Kalkınma Bölgesi, LED sisteminin enerji kullanımını %30 ve karbon emisyonlarını %45 oranında azaltan entegre bir ışık depolama teknolojisi kullanıyor.
4. Teknolojik Atılım: Laboratuvardan Fabrikaya
LED bitki ışıkları zaman içinde üç şekilde değişti:
İlk nesil (2000–2010) çoğunlukla yalnızca tek renkte çalışan kırmızı ve mavi LED'lerden oluşuyordu. Yaklaşık 50lm/W'lik bir ışık verimliliğine sahiplerdi ve spektrumla pek uyumlu değildiler. Çoğunlukla bilimsel araştırma faaliyetleri için kullanıldılar.
İkinci nesil (2010–2020): Daha iyi ışık verimliliğine (150 lm/W) sahip, akıllı karartma özelliği içeren ve sera üretiminde yaygın olarak kullanılmaya başlanan çoklu-dalga boylu kombinasyon LED'i oluşturuldu.
Üçüncü nesil (2020'den günümüze): Tam spektrumlu dinamik kontrole olanak tanıyan kuantum nokta LED ve perovskit malzemeler sayesinde ışık verimliliği 250 lm/W'ın üzerine çıktı. Nanjing Ziraat Üniversitesi, 50.000 saat dayanabilen, floresan lambalara göre %69,7 daha az elektrik tüketen ve kendini 1,5 yılda amorti eden bir LED doku kültürü lambası üretti.
5. Uygulama durumu: tarımsal üretimin iyileştirilmesi
Lianyungang Yuntai Çiftliği, 10-katmanlı, üç boyutlu bir yetiştirme rafında LED bitki ışıkları kullanıyor. Bu, Phalaenopsis'in ekim yoğunluğunu standart seralara göre üç kat daha fazla, birim alan başına verimi on kat daha yüksek ve su kullanımını %90 daha düşük hale getiriyor.
Pekin Xiaotangshan Serası, ışık yoğunluğu 200 μ mol/m²/s'nin altına düştüğünde otomatik olarak açılan, üst+bitkiler arası çift modlu ek aydınlatma sistemine sahiptir. Bu, yeşil sebzelerin büyüme döngüsünü 15 gün kısaltır ve Avrupa Birliği kalite kriterlerini karşılar.
Dünyanın ilk "Plant Factory 5.0" tanıtım projesi Hollanda'daki Wageningen Üniversitesi'nde inşa edildi. Yılda metrekare başına 100 kilogram domates yetiştirmek için LED ışık ortamı düzenlemesini kullanıyor ve Dünya'nın yüzey ışık enerjisinin %92'sini kullanıyor.
