La iluminación para horticultura no es un concepto nuevo; sin embargo, el LED está impulsando un cambio significativo en el sector, permitiendo a los cultivadores adaptar y ajustar distintas intensidades espectrales de maneras impensables con tecnologías anteriores.
No obstante, a medida que la tecnología avanza, ¿las métricas utilizadas para presentar y comparar productos están orientando a los cultivadores por el camino correcto?
La iluminación para horticultura es un sector en rápida expansión; algunos expertos prevén que el mercado alcanzará los 4.850 millones de libras esterlinas en 2023. Grandes proyectos de iluminación están en marcha tanto a nivel nacional como en mercados internacionales, siendo el más destacado el proyecto de invernaderos Lyudinovo en Rusia, que utilizará aproximadamente 240.000 luminarias al completarse.
Se ha demostrado que la iluminación LED, en proyectos de cualquier envergadura:
- incrementa los rendimientos;
- mejora la estabilidad de los cultivos y su resistencia ambiental;
- proporciona plazos de crecimiento más predecibles;
- ahorra energía; y
- reduce costes
También se han observado beneficios cualitativos, como una mayor pigmentación del color y modificaciones del sabor. Los avances en tecnología LED permiten una selección espectral aún más precisa y una eficiencia creciente, ampliando la brecha entre el LED y las tecnologías anteriores.
¿Cómo se mide actualmente la iluminación vegetal?
Las plantas utilizan la luz dentro de una zona del espectro electromagnético para la fotosíntesis, denominada Radiación Activa Fotosintética (PAR). El PAR abarca longitudes de onda de luz en el rango visible entre 400 nm y 700 nm, y es lo que se utiliza para definir nuestras mediciones.
La principal medida de la emisión lumínica, y el estándar de facto en el sector, es el Flujo de Fotones Fotosintéticos (PPF), que es simplemente una expresión de la cantidad de fotones PAR producidos por segundo.
La última medida clave utilizada hoy en día es la Densidad de Flujo de Fotones Fotosintéticos (PPFD), es decir, el número de fotones PAR que inciden sobre un metro cuadrado por segundo. Estos conceptos se pueden relacionar con el conocimiento de un ingeniero de iluminación con relativa facilidad:
- El PAR es aproximadamente equivalente a la porción de luz visible del espectro EM
- El PPF está vinculado a la potencia radiante (entre 400 nm y 700 nm)
- El PPFD es aproximadamente equivalente a la iluminancia, aunque sin la ponderación V(λ)
El PAR define la luz que nos interesa, el PPF es la cantidad de esa luz que emite la fuente luminosa, y el PPFD es la cantidad de esa luz que incide sobre un metro cuadrado de superficie de cultivo.
¿Por qué conviene ser cautelosos con el PPF como medida?
Aunque el uso del PPF tiene sus puntos fuertes como unidad de medida, al ser sencillo de comprender, fácil de medir y muy extendido, presenta también ciertas limitaciones:
Solo se mide la cantidad de luz, no el tipo ni la calidad
Cada vez resulta más evidente que la calidad de la luz es un factor importante en el cultivo de cualquier especie, siendo la cantidad tan solo una parte del conjunto. Las tasas de absorción, la respuesta fotosintética y las respuestas no fotosintéticas no siempre se tienen en cuenta.
Mientras que el sector se centra en el PPF por vatio, consideramos que esto puede tener un efecto perjudicial en las tasas de crecimiento, en lugar de beneficioso.
Los prescriptores que utilizan el PPF/W como criterio de selección están influyendo, posiblemente, en el desarrollo de nuevas luminarias al presionar a los fabricantes para que incorporen más contenido en el rojo, ya que un fotón rojo puede producirse con menos energía que uno azul.
Está ampliamente aceptado que una fuente de luz puramente roja ofrecería un crecimiento muy deficiente, a pesar de contar con un PPF/W muy elevado; lo que demuestra que la métrica PPF/W es insuficiente para comparar el rendimiento de los productos y puede dificultar la selección de una solución más adecuada.
Cuando el PPF se utiliza como cifra de referencia del rendimiento de una unidad, se distorsiona la utilidad real de la fuente lumínica. Al ignorar las necesidades reales de las plantas, una unidad LED puede parecer muy eficiente, aunque ofrezca un crecimiento real inferior en comparación con una solución más adaptada.
Un paralelismo dietético
La limitación del PPF al no tener en cuenta la calidad de la luz es análoga a la limitación de las calorías para indicar una dieta saludable. Si dos personas consumieran 2.000 calorías de alimento, ambas habrían ingerido la misma cantidad de energía según el contenido calórico.
Sin embargo, si una de ellas obtiene esas 2.000 calorías de una dieta equilibrada y la otra únicamente de un solo alimento (mantequilla, por ejemplo), el valor nutricional, la capacidad de extraer energía y el estado de salud resultante serían enormemente distintos en cada caso.
Considerar iguales ambas dietas sería claramente erróneo y engañoso; sin embargo, esto es exactamente lo que ocurre cuando el foco se pone en la métrica PPF para la selección de luminarias.
En busca de una medida más adecuada
Existen otras métricas disponibles para los cultivadores que contemplan mejor la sensibilidad fotosintética de las plantas.
El Flujo de Fotones de Rendimiento (YPF) es una de ellas
El YPF es un sistema ponderado que mide el valor de una determinada longitud de onda de luz frente a la respuesta fotosintética que probablemente mostrará el cultivo. Mientras que en el PPF todos los fotones son iguales, el YPF considera la eficiencia fotosintética relativa de las distintas longitudes de onda, asignando menor peso a la luz menos útil.
El concepto de las relaciones S/P ofrece una visión de la utilidad de una fuente lumínica en diferentes condiciones de iluminación, aplicando este mismo principio de ponderación. El ojo humano tiene dos curvas de respuesta: una para la visión fotópica (V(λ)), o visión diurna, y otra para la visión escotópica (V'(λ)), o visión nocturna. Las relaciones S/P ponderan la respuesta a estos diferentes tipos de luz para determinar la utilidad de una fuente en distintas aplicaciones.
Un producto que ofrece buenos niveles de iluminación en condiciones fotópicas puede no hacerlo en condiciones escotópicas, y viceversa. Del mismo modo, un producto puede tener una buena respuesta PPF, aunque una respuesta YPF deficiente, ya que las curvas de respuesta de ambos difieren.
Mientras que el PPF mide fotones dentro del PAR, longitudes de onda entre 400 nm y 700 nm, el YPF contempla un rango más amplio, considerando las emisiones de la fuente desde tan solo 360 nm (azul profundo) hasta 760 nm (rojo lejano). Estas longitudes de onda adicionales incluyen luz con efectos observables en el crecimiento vegetal; las longitudes de onda superiores a 700 nm resultan útiles en pequeñas cantidades para estimular plantas más altas y simular condiciones de iluminación crepuscular, empleadas para establecer ritmos circadianos, con características deseables observadas en algunas plantas.
Una planta en sombra, en su entorno natural, recibiría más luz roja lejana y respondería a ese estímulo para orientar su crecimiento. Ciertas plantas que crecen naturalmente bajo el dosel del arbolado esperan una proporción de rojo lejano respecto al rojo superior a la media, y reaccionarán de forma negativa ante un espectro que no contenga suficiente luz roja lejana.
Algunas respuestas del Síndrome de Evitación de Sombra son deseables para los cultivadores; en cantidades más elevadas, la luz más allá de 700 nm puede usarse para inducir deliberadamente el Síndrome de Evitación de Sombra, que favorecerá una floración rápida y un crecimiento más compacto en algunas plantas, mejorando potencialmente su resistencia.
El PPF pasa por alto los matices de estas respuestas vegetales al considerar únicamente la luz dentro del PAR, y por sí solo no puede ofrecer el panorama completo. Conocida como fotomorfogénesis, los procesos más amplios que controlan el desarrollo de una planta están influenciados por longitudes de onda tan bajas como 300 nm y tan altas como 800 nm (según muestra la Curva de McCree), de las cuales el YPF captura una mayor parte.
Un enfoque holístico
El YPF, por supuesto, no puede existir de forma aislada. Es una cifra de referencia adecuada para aproximar el rendimiento o para determinar, de manera orientativa, el producto y la emisión correctos para alcanzar una Integral Diaria de Luz objetivo. El PPF se utiliza como cifra de referencia, pero no contempla que distintas longitudes de onda pueden tener un mayor efecto en el crecimiento.
Los LED monocromáticos desplazan aún más esta medida; muchos chips azules y rojos se dirigen a un rango estrecho y específico de longitudes de onda. Aunque esto puede proporcionar un PPF elevado, puede comprometer la solución de iluminación, ya que cualquier degradación diferencial entre las fuentes alterará el espectro resultante con el tiempo.
Este riesgo puede reducirse utilizando LED de espectro amplio con fósforo, ya que la degradación del LED viene determinada únicamente por el emisor de die azul. Es importante destacar que las luminarias de espectro amplio rellenan los huecos entre las partes azul y roja del espectro, ofreciendo una mejor correspondencia con la luz solar natural. La luz solar contiene una gama de longitudes de onda a lo largo del espectro visible, que probablemente cumplan diversas funciones que aún no comprendemos del todo.
El YPF tiene sus limitaciones, ya que la medida original se basa en lecturas tomadas de segmentos individuales de hojas en condiciones controladas. Cuando se utiliza in situ, la luz que atraviesa una hoja puede seguir beneficiando a las superficies situadas más abajo en la planta; por tanto, considerar únicamente un segmento de hoja ignora la luz que lo atraviesa.
Sin embargo, esto sigue siendo mejor que no tener ninguna consideración. Al ignorar las diferencias entre longitudes de onda, el PPF nos presenta una característica desconcertante para una medida empírica: un PPF más alto no implica necesariamente un mejor producto de iluminación.
La colaboración entre cliente y fabricante o proveedor de iluminación LED es fundamental
Gran parte de la responsabilidad recae sobre los prescriptores, que necesitan investigación y planificación en las primeras etapas de un proyecto para determinar el efecto deseado de la iluminación sobre el producto final. La atención al detalle es fundamental, y el tipo de planta y la respuesta esperada deben tenerse en cuenta al elegir una solución de iluminación. Un fabricante versátil debe estar dispuesto a colaborar con los cultivadores para determinar y crear los espectros diseñados para su cultivo y sus objetivos.
Al comparar productos, el YPF es un mejor punto de partida que el PPF, aunque la emisión debe ser tan solo uno de los factores dentro de un enfoque holístico que contemple una serie de variables: espectro amplio frente a estrecho, fotoperiodo, beneficios cualitativos como el sabor o el color, y la consideración de longitudes de onda fuera del PAR.
Queda mucho por comprender sobre las respuestas vegetales y la composición espectral óptima para distintos cultivos y resultados deseados. Reducir la brecha entre el catálogo de producto y el espectro óptimo debería ser un esfuerzo conjunto entre proveedor y cliente, pero la métrica adecuada acerca a los prescriptores al producto ideal para sus necesidades.
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Artículo elaborado por Toby Penter, Desarrollo de Negocio en INDO
Fuentes:
(1) Worldwide Horticulture Lighting Market [by segments (Hardware, Software, Services); by Deployment (Turnkey, Retrofit); by Environment (Indoor, Vertical, Greenhouse, Research); by Crop Type; by Regions]: Market Sizes and Forecasts (2018-2023)
(2) Ashdown, I 2018. ‘Far-Red Lighting and the Phytochromes’. MAXIMUM YIELD USA, Oct 2018, p. 60-66.
(3) Shinkle, J 2016. ‘BASIC PHOTOMORPHOGENESIS’. photobiology.info. Department of Biology, Trinity University, San Antonio. Available online: http://photobiology.info/Shinkle.html
(4) Nelson, J. A., & Bugbee, B. (2014). Economic Analysis of Greenhouse Lighting: Light Emitting Diodes vs. High Intensity Discharge Fixtures. PLoS ONE, 9(6), e99010. http://doi.org/10.1371/journal.pone.0099010
(5) (Nelson, JA. 2014)
