Šviestukai ir augalai

Šviestukai ir augalai

Kietakūnio apšvietimo technologija augalų fotofiziologiniams procesams valdyti - tai Valstybinio mokslo ir studijų fondo Aukštųjų technologijų plėtros programos projektas, kurį bendrai vykdo Vilniaus universiteto Medžiagotyros ir taikomųjų mokslų institutas kartu su Lietuvos sodininkystės ir daržininkystės institutu bei Botanikos institutu. Šis projektas kiek plačiau buvo pristatytas Babtuose, Sodininkystės ir daržininkystės institute, kartu su Lietuvos MA Matematikos, fizikos ir chemijos bei Žemės ūkio ir miškų mokslų skyriais surengtoje mokslinėje konferencijoje.

Vilniaus universiteto Medžiagotyros ir taikomųjų mokslų instituto direktorius, Lietuvos MA narys ekspertas prof. Artūras Žukauskas papasakojo apie kietakūnio apšvietimo įtaką augalų auginimui, įprastinius augalų dirbtiniam apšvietimui taikomus šviesos šaltinius, pristatė ir naujos kartos šviesos šaltinius - šviesos diodus. Pasaulyje labai domimasi šia nauja technologija, daug pastangų ir lėšų skiriama jai tobulinti ir vis plačiau taikyti įvairiems moksliniams tikslams bei praktinio gyvenimo reikmėms. A. Žukauskas pademonstravo apšvietimo spektro valdymo šviesos diodais galimybes, parodė ir projekto dalyvių sukurtus įtaisus, aptarė naujosios technologijos perspektyvas.

Lietuvos sodininkystės ir daržininkystės instituto profesorius habil. dr. Pavelas Duchovskis supažindino su augalų fiziologinių procesų valdymu šviesa. Konferencijos dalyviai buvo supažindinti su minėtos tematikos instituto vykdomais eksperimentiniais tyrimais.

Kai šiluma eina vėjais

Kodėl tradicinės elektrinės lempos (kaitinimo, natrio, liuminescensinės ir pan.) nėra pačios tinkamiausios augalų auginimo reikmėms? Pirmiausia jos labai nenašios, nes generuoja šilumą, vadinasi, daug elektros energijos eina perniek. Net šiems reikalams našiausios natrio lempos tik 30 proc. elektros energijos išskiria šviesos pavidalu.

Šio trūkumo padeda išvengti injekcinės elektroliuminescencijos principas, pritaikytas šviesos diodas. Taigi egzistuoja galimybė kone visą elektros energiją paversti šviesa. Vadinasi, į aplinką nebūtų išskiriama šilumos, nekaistų ir pats šviesą generuojantis įtaisas.

Rinkoje pirmieji tokie šviesos diodai pasirodė apie 1968-uosius. Iš pradžių jie taikyti rankiniuose laikrodžiuose kaip šviesos indikatoriai, bet vėliau skystųjų kristalų technologijos išstūmė šį būdą. Vis dėlto tie šviesos diodai buvo tobulinami. Šiuo metu jie taikomi jau ne tik indikacijai, bet ir kaip šviesos šaltiniai. Pasaulyje jie naudojami šviesos signaluose, vaizduokliuose, dekoratyviniam ir architektūriniam apšvietimui, ir vis labiau skverbiasi į bendrojo apšvietimo sritį. Nors šviesos diodų našumas dar nepasiekė savo fizikinės ribos, jie pradedami taikyti įvairiausiose srityse, tarp jų - ir augalų auginime.

Šviestukų privalumai

Šviesos diodų, lietuviškoje fizikos terminijoje jau spėjusių įgyti šviestukų pavadinimą, privalumai yra labai dideli. Antai raudonosios šviesos spektro srityje šviesos diodų elektrinis našumas jau siekia 55 proc., o iš esmės elektrinis našumas galėtų viršyti 100 proc., nes jiems veikiant, dalis energijos paimama iš aplinkos. Šviesos diodai nespinduliuoja jokios šalutinės spinduliuotės, išskyrus to bangos ilgio, kuriam jie sukonstruoti. Pakanka žemos maitinimo įtampos, todėl juos saugu ir lengva valdyti. Diodus galima perjungti labai greitai, beveik akimirksniu. Tai ypač paranku taikant impulsines technologijas (kad ir siekiant sutaupyti energijos). Šie įtaisai ilgaamžiai, kai kurie gali veikti net apie 200 tūkst. valandų.

Šviesos diodų spektras siauras: nuo 15 iki 50 nm (nanometrų), spektrinių linijų plotis panašus į augalų pigmentų sugerties spektrus. Taigi ‘pataikius’ į reikiamą spektro vietą, galima be nuostolių sužadinti tam tikrus pigmentus. Galima pasirinkti norimą bangos ilgį nuo raudonosios iki ultravioletinės, priklausomai nuo augalų poreikio ar eksperimentuotojų keliamų uždavinių.

Pagaliau tai tvirti ir patikimi įtaisai, juose nėra stiklo, tad nėra kam dužti. Nėra sveikatai kenksmingų medžiagų - kitaip nei natrio ir fluorescencinėse lempose, todėl jie išties saugūs naudoti. O svarbiausia, kad galima konstruoti valdomo spektrinio bangos ilgio šviestuvus, priklausomai nuo to, kokio bangos ilgio augalams reikia. Tą spektrą galima keisti, priklausomai nuo paros laiko, natūralaus apšvietimo sąlygų, augimo tarpsnio ir t. t. Galima imituoti saulės tekėjimą, naudoti impulsinį režimą ir panašiai.

Trūkumai

Ši šviesos diodų taikymo technologija turi ir trūkumų. Vienas didžiausių - kaina: ji keliasdešimt kartų (kai kurių tipų šviestukų - šimtus kartų) didesnė už įprastų elektros šviesos šaltinių.

Kitas trūkumas - maža galia. Natrio lempos galia yra 400 W, o šviestukų - 5 W. Tai ‘šaltas’ įtaisas, nes jeigu didintume pridedamos elektros energijos galią, tektų rūpintis, kur dėti išsiskiriančią šilumą - konstrukcija taptų sudėtingesnė.

Trečias trūkumas: šiuo metu bangos ilgių pasirinkimą diktuoja rinkai tiekiamų diodų asortimentas, nes nė viena bendrovė negamina augalams auginti reikalingų šviestukų. Gaminami šviesoforams, automobilių, geležinkelių signaliniams įtaisams, vaizduokliams (raudoni, žali, mėlyni) ir bendrojo apšvietimo reikmėms pritaikyti šviesos diodai.

Vis dėlto ir šis trūkumas, anot A. Žukausko, gali būti laikinas, nes pasaulio bendrovės akylai seka rinkos pokyčius, ir jeigu pajus šviestukų poreikį žemdirbystės ar kitoms reikmėms, bemat pritaikys ir atitinkamų bangos ilgių šviestukus. Apskritai visi trys didžiausi šviestukų trūkumai yra laikini ir išnyks tobulinant taikymo technologijas.

Ką siūlo rinka

Kas šiuo metu turima rinkoje? Raudonojo spektro srityje, labai svarbioje augalų fotosintezei, pramoniniu būdu gaminami AlGaInP puslaidininkiniai kristalai, kurių pagrindu sukurti šviestukai našumu jau pasivijo aukšto slėgio natrio lempas. Tai maždaug 640 nm bangos ilgio šviestukai, kurių našumas 15-20 proc. (laboratorijose taikomi iki 55 proc. našumo). Tai pats našiausias žmogaus sukurtas regimosios šviesos šaltinis.

Kita technologija, sukurta AlInGaN puslaidininkinių kristalų pagrindu, - tai mėlynosios, žaliosios ir ultravioletinės šviesos šviestukai. Juos prieš 10 metų sugebėjo sukurti japonų inžinierius Shuji Nakamura, ir šiuo metu jie pasiekė rekordinę 5 W galią. Jų elektrinis našumas - daugiau kaip 15 proc., jie skleidžia 0,8 W mėlynos šviesos srautą. Pažymėsime, kad kaitinamoji 60 W lempa skleidžia maždaug tiek pat mėlynosios šviesos.

A. Žukauskas siūlo atkreipti dėmesį į kainos ir galios evoliuciją. Nuo 1968 m., kai rinkoje pasirodė šviesos diodai, kas 10 metų jų generuojamas šviesos srautas augo maždaug po 20 kartų, o generuojamo šviesos kiekio vieneto kaina krito maždaug 10 kartų. Šis dėsningumas yra stabilus ir išlieka toliau. Skaičiuojant pagal šviesos kiekio vieneto kainą, šiuo metu ji keliasdešimt kartų didesnė už įprasto šviesos šaltinio šviesos kainą. Tačiau neabejojama, kad jau ateinančiame dešimtmetyje šviestukų kaina nukris ir nebeliks įprastų elektros kaitinimo lempų, nes jos yra tikros energijos švaistytojos. JAV, Japonijoje, Korėjoje ir Kinijoje vykdomos didelės nacionalinės šios srities programos, tad laikas rengtis visai kitos kartos apšvietimo technologijoms, kurios būtinai įsitvirtins. Šviestukui numatomas galutinio šviesos šaltinio vaidmuo. Jis bus tobulinamas tol, kol pagal visus parametrus pralenks visus kitus esamus šaltinius ir pasieks kone 100 proc. našumą.

Nesame autsaideriai

Kaip globalaus pasaulio akivaizdoje šiandien atrodo Lietuvos laimėjimai kuriant šias naujas technologijas? Gal ne taip ir prastai, jei 2002 m. anglų kalba pasirodė kietakūnio apšvietimo reikalams skirta knyga Įvadas į kietakūnį apšvietimą (Introduction to Solid-State Lighting) dabar išleista ir kinų kalba. Iš trijų knygos autorių - du lietuviai: Artūras Žukauskas ir jo buvęs diplomantas dr. Remigijus Gaška (Remis Gaska), JAV bendrovės Sensor Electronics Technology, Inc. prezidentas. Bendrovės specializacija - ultravioletinių šviestukų gamyba. Trečiasis autorius - Renselerio politechnikos instituto JAV profesorius Maiklas S. Šuras (Michael S. Shur).

Vadinasi, teorinėje plotmėje nesame autsaideriai, sukaupta daug žinių, nes tai apskritai pasaulyje pirmoji kietakūnio apšvietimo technologijai skirta apžvalginė knyga.

Dabar pažiūrėsime, kaip A. Žukauskas ir kiti bendro projekto dalyviai taiko šviestukus augalų auginimo eksperimentuose.

Skaidrėse matome spektrus nuo ultravioletinio iki infraraudonojo bangos ilgio. Kitoje grafiko ašyje - įvairių augalų pigmentų sugertis. Svarbiausi fotosintezėje dalyvaujantys pigmentai - chlorofilai, sugeriantys apie 660 nm bangos ilgio šviesą, sugeria ir tam tikrą dalį mėlynosios šviesos, bet tuomet patiriami didesni nuostoliai. Pasirodo, mėlynoji šviesa augalui reikalinga ne vien fotosintezei, bet ir įvairiems fototropiniams procesams: ji atidaro žioteles ir reguliuoja augalo kvėpavimo mechanizmą. Jeigu to nebūtų, augalai perkaistų. Raudonosios šviesos sugertis didesnė, ir ši šviesa reikalingesnė fotosintezei.

Be šių augaluose yra ir daugybė kitų procesų, kuriems reikia šviesos. Vienas iš jų - morfogenetinis procesas, kurį labai smarkiai reguliuoja fitochromas - tam tikras baltymas. Šis pigmentas augaluose labai svarbus. Tai gana ‘gudrus’ pigmentas. Jis turi dvi fazes: apšviestas 660 nm (raudona) šviesa, pereina į kitą fazę ir pradeda gerti 730 nm (tolimą raudonąją) šviesą. Ir priešingai. Taigi fitochromas ‘perjungiamas’: jam reikia raudonosios ir tolimos raudonosios šviesos. Šis pigmentas reguliuoja augimo procesus augaluose. Jis labai ‘konservatyvus’ - per šimtus milijonų evoliucijos metų augaluose išliko nepakitęs, išlaikęs tą pačią struktūrą. Tai labai sudėtingas pigmentas, nemažiau sudėtingas nei fotosintetinė sistema.

Augaluose taip pat yra ir karotinoidų, jų sugerties spektras yra mėlynai žaliojoje šviesos srityje. Daugiau karotinoidų ir mažiau chlorofilo turintys augalų lapai yra violetinio atspalvio, nes sugeria žaliai mėlynąją šviesą. Daugelio pigmentų funkcijos apskritai nėra visai aiškios, nes neturėta geros technologijos kaityti šviesos spektrus ir išsiaiškinti visų pigmentų paskirtį.

Tie tobuli augalai - dumbliai

Pasak A. Žukausko, saulės spektras teikia įvairiaspalvį šviesos spektrą, tik augalai, pasirodo, iš to turtingo spektro ne viską geba pasiimti. Sausumos augalai iš tikrųjų saulės šviesą įsisavina gana prastai. Nepalyginamai geriau tai daro vandenyno dumbliai. Įdomu, kad skirtingų rūšių dumbliai sugeria skirtingo bangos ilgio šviesą. Vandens paviršiuje saulės šviesą sugeria vienos rūšies dumbliai, o nesugertos bangos ilgio šviesa pasiekia gilesnius vandens sluoksnius, kur gyvena kiti šviesą sugeriantys dumbliai. Likusi šviesos dalis pasiekia gilesnius vandens sluoksnius, kur jos jūroje ‘tyko’ dar kitos dumblių rūšys. Taip vandenyne absorbuojama beveik visa saulės šviesa. Tobula dumblių sistema evoliucionavo gal milijardą metų, o sausumos augalai tam evoliucijos procesui turėjo mažiau laiko.

Šiandien rinkai siūlomų šviesos diodų bangos ilgiai leidžia pasirinktinai žadinti reikiamus fitopigmentus. Vilniaus universiteto Medžiagotyros ir taikomųjų mokslų instituto bei Sodininkystės ir daržininkystės instituto bendro projekto vykdytojai iškėlė užduotį išsiaiškinti, ką iš viso to galima laimėti. Greitų rezultatų A. Žukauskas siūlo nesitikėti, nes darbai tik pradėti. Antai norvegų natrio bangos taikymo augalų auginimui tyrimai buvo pradėti apie 1950 m. ir truko apie 40 metų. Tyrimai buvo skirti vieno nekintamo šviesos spektro tyrimams.

Lietuvoje atliekamo projekto vykdytojai jau spėjo sukurti įvairių įtaisų. Tai rankinio valdymo šviestuvai, reguliuojantys 4 bangos ilgių spektrą. Sukurtas kompiuterizuotas in vivo fitotronas, taikomas penkioms lysvėms su 9 bangos ilgių spektru. Naudojami ir sudėtiniai šviestuvai: tai fluorescencinių lempų ir 725 nm (tolimos raudonos spalvos) bangos ilgio šviestukų, kaitinamųjų lempų ir 450 nm mėlynų šviestukų bei fluorescencinių lempos ir 640 nm (raudonų šviestukų) kombinacija. Šiuose šviestuvuose naudojami nebrangūs laikmačiai, kuriais užprogramuojama apšvietimo įjungimo momentas ir trukmė.

Sukurtas kompiuterizuotas in vitro 4 bangos ilgių šviestuvas veikia Vilniaus universiteto Botanikos sode. Trijų bangos ilgių apšvietimas vienašiame ir dviašiame klinostate įrengtas Botanikos institute. Pagal sutartį su UAB Energenas sukurtas šiltnamio šviestuvo prototipas, jis šiuo metu patentuojamas. Dabar kuriamas reguliuojamas 25 W šviestuvas pagal bendrą projektą su suomiais ir nepaliečiais.

Ypatingas didžiavimosi objektas - fototronas

Vis dėlto ypatingas projekto vykdytojų didžiavimosi objektas - kompiuterizuotas in vivo fototronas, taikomas 5 lysvėms (kiekviena po 0,28 m2).

Bazinis spektras natrio lempos atžvilgiu paslinktas į raudonąją bangos ilgio dalį. Fotochromui valdyti yra dvi spektro smailės, o mėlyna šviesa naudojama fototropiniams efektams tirti. Bazinis spektras sudarytas iš 4 komponenčių, ir dar po vieną komponentę kiekvienoje lysvėje: 660 (raudona), 622 (oranžinė), 595 (geltona), 518 (žalia) ir 380 (ultravioletas) kiekvienoje lysvėje. Procesas valdomas personaliniu kompiuteriu. Taikomas mikroprocesorinis srovės valdymo modulis. Galima užprogramuoti kiekvieną paros valandą, kiekvieną parą iš 30-ies, taip pat iki mikrosekundinės trukmės galima programuoti impulso aukštį, plotį ir pagrindą.

Anot A. Žukausko, pasaulyje niekas neturi tokio unikalaus įrenginio - šviestukų taikymo technologijos augalų auginimui. Šioje srityje pirmauja lietuviai. Tuo galime didžiuotis.

Ką jau galima daryti

VU Botanikos sode in vitro fitotrone tiriamos augalų šaknys, taikant šviesos diodais teikiamą apšvietimą. Kai kurie augalai įprasto dirbtinio apšvietimo sąlygomis ‘nenori’ vystyti šaknų. A. Žukausko teigimu, šioje tyrimų srityje kai ką pavyko pasiekti. Tuo tarpu Sodininkystės ir daržininkystės instituto fitotronuose pagrindinis dėmesys skiriamas šiltadaržio daržovių maistinei kokybei gerinti.

Skaičiuojant kaštus litais į kvadratinį metrą per darbo metus (tiek šis fototronas veikia), lyginant su didelio slėgio natrio lempa, išlaidos didesnės daugiau kaip 10 kartų. Taikant natrio lempas išlaidos sudaro keliasdešimt litų, o naudojant šviesos diodus - kelis šimtus litų. Reikėtų dar mažiausiai 10 metų, teigia A. Žukauskas, kad tie kaštai susilygintų. O eksploatacinės išlaidos jau dabar beveik lygios, nors šviesos diodų našumas dar šiek tiek mažesnis už natrio lempų. Tai yra dėl geresnio spektrinio suderinamumo, kuris leidžia pasiekti didesnį augalų produktyvumą.

Ką jau galima daryti taikant šią technologiją? Kai kurie ribojantys veiksniai šiandien gali atrodyti labai nepalankūs naujajai technologijai, pirmiausia - aukšta šviesos diodų technologijos taikymo kaina. Šiandien naudoti visą ciklą, tarkime, daržovėms auginti, visiškai neapsimokėtų, nes išaugintų salotų kaina būtų kaip rečiausio ir egzotiškiausio vaisiaus ir tokių daržovių niekas nepirktų. Ir vis dėlto A. Žukauskas nusiteikęs optimistiškai. Jis siūlo šiandien daryti tokius darbus ir tyrimus, kad po 10 metų, kai šviesos diodai atpigs, bus reikiamų bangos ilgių, turėtume sukaupę reikiamas žinias ir pasirengę taikyti naudingą technologiją.

Energijos šviestukais kol kas nesutaupysime

Vis dėlto A. Žukauskas, nors ir apraminęs klausytojus, nelinkęs nuteikti jų taupyti elektros energiją, naudojant šviestukus. Tai nepasiteisintų, čia nereikėtų rengtis dideliam proveržiui, nes šviestukų našumas didėja labai iš lėto, daug lėčiau negu krenta jų kaina ir auga galia. Našumas per 10 metų išauga trečdaliu, ir ženklaus energijos taupymo dar teks palaukti. Be to, šiandien jokia bendrovė negamina specialių šviestukų augalams, nes ši rinka - vis dar ateities dalykas.

Tad ką šiandien realiai gali pasakyti patys projekto vykdytojai? Jie teigia, kad galima kurti technologijas, skirtas gerinti augalų maistinę kokybę. Pavyzdžiui, apšviečiant augalus tik tam tikruose auginimo tarpsniuose, gaunant specifinį efektą, derinant šviesos diodų naudojimą su natrio lempomis, galima gauti praktinių rezultatų. Šios lietuvių technologijos yra kuriamos ir patentuojamos.

Taip pat ši technologija gali praversti tam tikriems augimo ar kitiems procesams stimuliuoti, tuos procesus valdyti. Tinkamu metu apšvitinus net ir nedidelėmis energijos sąnaudomis galima smarkiai padidinti kad ir augalų žiedų kiekį. Tai jau įrodyta. Todėl esama pasiūlymų gaminti nedidelius papildomų šviesos diodų modulius, kurie būtų kabinami šiltnamiuose prie natrio lempų. Tai padėtų spręsti žydėjimo, šakniavaisių gausinimo ir kitas problemas.

Tai daug pastangų reikalaujantys tyrinėjimai, bet jau dabar pasaulyje labai domimasi šiais eksperimentais. Matyt, natrio lempų priedai bus paklausūs. Auginant itin vertingus augalus, selekcijos tikslams, kai energijos kaina nėra svarbiausia, ši technologija gali įgyti naujų perspektyvų.

Bus daugiau

Gediminas Zemlickas