Kasvivalaistus ei ole uusi ajatus, mutta LED tuo alalle merkittävän harppauksen: viljelijät pystyvät räätälöimään ja hienosäätämään eri spektri-intensiteettejä tavoilla, jotka olivat aiemmilla teknologioilla ennenkuulumattomia.
Mutta kun teknologia kehittyy, ohjaavatko tuotteiden esittämiseen ja vertailuun käytetyt mittarit viljelijöitä oikealle polulle?
Kasvihuonevalaistus on nopeasti kasvava toimiala: joidenkin asiantuntijoiden mukaan markkina kasvaa 4,85 miljardiin puntaan vuoteen 2023 mennessä. Valtavia valaistushankkeita on käynnissä sekä kotimaassa että kansainvälisillä markkinoilla, näkyvimpänä Lyudinovon kasvihuoneprojekti Venäjällä, jossa käytetään valmistuttuaan noin 240 000 valaisinta.
LED-valaistuksen on kaikenkokoisissa projekteissa osoitettu:
- lisäävän satoja;
- parantavan sadon vakautta ja ympäristönkestävyyttä;
- tarjoavan ennustettavampia kasvuaikatauluja;
- säästävän energiaa; sekä
- vähentävän kustannuksia
Myös laadullisia hyötyjä on havaittu, kuten voimakkaampaa väripigmentaatiota ja maun muuttumista. LED-teknologian kehitys mahdollistaa entistä tarkemman spektrin kohdentamisen ja jatkuvasti kasvavan hyötysuhteen, mikä kasvattaa eroa LED-tekniikan ja aiempien teknologioiden välillä.
Miten kasvivalaistusta mitataan tällä hetkellä?
Kasvit käyttävät yhteyttämiseen valoa sähkömagneettisen spektrin alueelta, jota kutsutaan nimellä Photosynthetic Active Radiation eli fotosynteettisesti aktiivinen säteily (PAR). PAR kattaa näkyvän valon aallonpituudet 400 nm:n ja 700 nm:n välillä, ja juuri tätä käytetään mittaustemme määrittelyyn.
Valotehon päämitta ja alan tosiasiallinen standardi on Photosynthetic Photon Flux eli fotosynteettinen fotonivuo (PPF), joka ilmaisee yksinkertaisesti sekunnissa tuotettujen PAR-fotonien määrän.
Viimeinen tänä päivänä käytetty keskeinen mittari on Photosynthetic Photon Flux Density eli fotosynteettinen fotonivuon tiheys (PPFD), eli sekunnissa neliömetrille osuvien PAR-fotonien määrä. Nämä käsitteet voidaan yhdistää valaistusinsinöörin tietopohjaan suhteellisen helposti seuraavasti:
- PAR vastaa suunnilleen sähkömagneettisen spektrin näkyvän valon osaa
- PPF liittyy säteilytehoon (400 nm:n ja 700 nm:n välillä)
- PPFD vastaa suunnilleen valaistusvoimakkuutta, mutta ilman V(λ)-painotusta
PAR määrittelee valon, josta olemme kiinnostuneita, PPF on tuon valon määrä, joka poistuu valonlähteestä, ja PPFD on tuon valon määrä yhdellä neliömetrillä kasvatuspintaa.
Miksi meidän tulisi olla varovaisia PPF:n käytössä mittarina?
Vaikka PPF:n käytöllä mittayksikkönä on vahvuutensa: se on helppo ymmärtää, helppo mitata ja hyvin laajasti käytössä. Siinä on kuitenkin myös rajoituksia;
Mitataan vain valon määrä, ei tyyppiä, tai laatua
Yhä selvemmäksi käy, että valon laatu on tärkeä tekijä minkä tahansa kasvin viljelyssä, ja määrä on vain osa kokonaiskuvaa. Absorptionopeuksia, fotosynteettistä vastetta ja ei-fotosynteettisiä vasteita ei tällä hetkellä välttämättä oteta huomioon.
Vaikka ala keskittyy PPF-arvoon wattia kohden, uskomme tämän voivan vaikuttaa kasvunopeuteen haitallisesti, ei hyödyllisesti.
Suunnittelijat, jotka keskittyvät valintakriteerinä PPF/W-arvoon, vaikuttavat väitetysti uusien valaisimien kehitykseen ohjaamalla valmistajia käyttämään enemmän punaista sisältöä, sillä punainen fotoni voidaan tuottaa vähemmällä energialla kuin sininen fotoni.
On laajalti tunnustettua, että puhtaasti punainen valonlähde tuottaisi hyvin heikkoa kasvua huolimatta erittäin korkeasta PPF/W-arvosta, mikä osoittaa, ettei PPF/W-mittari riitä tuotteiden suorituskyvyn vertailuun ja voi haitata sopivamman tuotteen valintaa.
Kun PPF:ää käytetään yksikön tuoton pääasiallisena lukemana, tämä antaa harhaanjohtavan kuvan valonlähteen hyödyllisyydestä. Kasvien todellisia tarpeita laiminlyömällä LED-yksikkö saattaa vaikuttaa erittäin tehokkaalta, vaikka se tuottaisi todellisuudessa vähemmän kasvua verrattuna paremmin räätälöityyn ratkaisuun.
Ruokavaliovertaus
PPF:n puute siinä, ettei se huomioi valon laatua, vastaa kalorien puutetta siinä, etteivät ne pysty osoittamaan ruokavalion terveellisyyttä. Jos kaksi ihmistä söisi 2 000 kaloria ruokaa, molemmat olisivat saaneet saman verran energiaa kalorimäärän perusteella.
Jos kuitenkin toinen saisi 2 000 kaloria monipuolisesta ruokavaliosta ja toinen syömällä vain yhtä ruoka-ainetta (esimerkiksi voita), ravitsemuksellinen arvo, kyky hyödyntää energiaa ja lopulta yksilön terveys vaihtelisivat huomattavasti näiden kahden tapauksen välillä.
Molempien ruokavalioiden pitäminen samanarvoisina olisi selvästi väärin ja harhaanjohtavaa, mutta juuri näin käy, kun valaisimen valinnassa keskitytään PPF-mittariin.
Paremman mittarin etsintä
Viljelijöillä on käytössään myös muita mittareita, jotka kuvaavat paremmin kasvin fotosynteettistä herkkyyttä.
Yield Photon Flux eli satofotonivuo (YPF) on yksi tällainen mittari
YPF on painotettu järjestelmä, joka mittaa tietyn valon aallonpituuden arvoa suhteessa siihen fotosynteettiseen vasteeseen, jonka kasvi todennäköisesti tuottaa. Siinä missä PPF:ssä kaikki fotonit ovat lähtökohtaisesti samanarvoisia, YPF ottaa huomioon eri aallonpituuksien suhteellisen fotosynteettisen tehokkuuden ja antaa vähemmän painoarvoa vähemmän hyödylliselle valolle.
S/P-suhteiden käsite tarjoaa saman painotusperiaatteen avulla näkemyksen valonlähteen hyödyllisyydestä eri valaistusolosuhteissa. Ihmissilmällä on kaksi vastekäyrää: yksi valoisan näön eli fotooppisen näön (V(λ)) ja toinen hämäränäön eli skotooppisen näön (V'(λ)) tilanteisiin. S/P-suhteet painottavat vastetta näihin erilaisiin valon tyyppeihin määrittääkseen valonlähteen hyödyllisyyden eri käyttötarkoituksiin.
Tuote, joka tarjoaa hyvän valaistustason fotooppisissa olosuhteissa, ei välttämättä tee niin skotooppisissa olosuhteissa, ja päinvastoin. Samalla tavalla tuotteella voi olla hyvä PPF-vaste mutta heikko YPF-vaste, koska näiden kahden vastekäyrät eroavat toisistaan.
Siinä missä PPF mittaa fotoneja PAR-alueella, aallonpituuksilla 400 nm:n ja 700 nm:n välillä, YPF tarkastelee laajempaa aluetta ja ottaa huomioon lähteen emissiot aina 360 nm:stä (tummansininen) 760 nm:iin (kaukopunainen) asti. Näihin lisäaallonpituuksiin kuuluu valoa, jolla on havaittavia vaikutuksia kasvien kasvuun: yli 700 nm:n aallonpituuksia käytetään pieninä määrinä kasvien pidentämiseen ja hämärän valaistusolosuhteiden simulointiin, mitä käytetään vuorokausirytmin asettamiseen, ja joillakin kasveilla on havaittu tästä toivottavia ominaisuuksia.
Luonnossa varjossa kasvava kasvi saisi enemmän kaukopunaista valoa ja reagoisi tähän ärsykkeeseen kasvunsa ohjaamiseksi. Tietyt lehvästön alla luontaisesti kasvavat kasvit odottavat keskimääräistä korkeampaa kaukopunaisen ja punaisen valon suhdetta, ja ne reagoivat kielteisesti spektriin, joka ei sisällä riittävästi kaukopunaista valoa.
Osa varjonvälttelyvasteista (Shade Avoidance Syndrome) on viljelijöille toivottavia: suurempina määrinä yli 700 nm:n valoa voidaan käyttää tarkoituksella käynnistämään varjonvälttelyvaste, mikä edistää nopeaa kukintaa ja kompaktimpaa kasvua joillakin kasveilla sekä voi parantaa kestävyyttä.
PPF ei huomioi näiden kasvivasteiden vivahteita, koska se ottaa huomioon vain PAR-alueen valon, eikä se yksinään anna kokonaiskuvaa. Kasvin kehitystä laajemmin ohjaavat prosessit tunnetaan nimellä fotomorfogeneesi, ja niihin vaikuttavat aallonpituudet jopa 300 nm:stä 800 nm:iin asti (kuten McCreen käyrä osoittaa), joista YPF tavoittaa suuremman osan.
Kokonaisvaltainen lähestymistapa
YPF ei tietenkään voi olla olemassa yksinään. YPF on sopiva pääasiallinen tunnusluku suorituskyvyn karkeaan arviointiin tai oikean tuotteen ja tuoton määrittämiseen tavoitellun päivittäisen valomäärän (Daily Light Integral) saavuttamiseksi. PPF:ää käytetään pääasiallisena tunnuslukuna, mutta se ei ota huomioon, että eri aallonpituuksilla voi olla suurempi vaikutus kasvuun.
Monokromaattiset LEDit vievät tätä mittaria vielä kauemmas todellisuudesta, sillä monet siniset ja punaiset sirut kohdistuvat tiettyyn, kapeaan aallonpituusalueeseen. Vaikka tämä saattaa tuottaa korkean PPF-arvon, se voi heikentää valaistusratkaisua, koska lähteiden erilainen heikkeneminen ajan myötä muuttaa syntyvää spektriä.
Tätä riskiä voidaan pienentää käyttämällä laajakirjoisia, loisteainepäällysteisiä LEDejä, koska tällöin LEDin heikkeneminen määräytyy yksinomaan sinisen sirun mukaan. On tärkeää huomata, että laajakirjoiset valaisimet täyttävät spektrin sinisen ja punaisen osan välisen aukon, mikä vastaa paremmin luonnonvaloa. Auringonvalo sisältää laajan kirjon aallonpituuksia näkyvällä spektrillä, ja niillä on todennäköisesti useita tehtäviä, joita emme vielä täysin ymmärrä.
Myös YPF:ssä on puutteita, sillä alkuperäinen mittari perustuu hallituissa olosuhteissa yksittäisistä lehtisegmenteistä tehtyihin mittauksiin. Käytännön olosuhteissa lehden läpi kulkeva valo voi silti hyödyttää kasvin alempia pintoja, joten pelkän yksittäisen lehtisegmentin tarkastelu jättää huomiotta läpi kulkevan valon.
Tämä on kuitenkin parempi kuin ei minkäänlaista huomiointia. Aallonpituuksien eroja huomiotta jättäessään PPF tarjoaa meille turhauttavan piirteen empiirisenä mittarina: korkeampi PPF ei välttämättä tarkoita parempaa valaistustuotetta.
Yhteistyö asiakkaan ja LED-valaistuksen valmistajan/toimittajan välillä on avainasemassa
Suuri osa vastuusta lankeaa suunnittelijoille: projektin varhaisessa vaiheessa tarvitaan tutkimusta ja suunnittelua sen määrittämiseksi, millainen vaikutus valaistuksella halutaan olevan valmiiseen tuotteeseen. Yksityiskohtien huomiointi on avainasemassa, ja kasvityyppi sekä tavoiteltu vaste on otettava huomioon valaistusratkaisua valitessa. Monipuolisen valmistajan tulisi olla valmis työskentelemään viljelijöiden kanssa määrittääkseen ja luodakseen spektrit, jotka on suunniteltu heidän kasvilleen ja tavoitellulle lopputulokselleen.
Tuotteita vertailtaessa YPF on parempi lähtökohta kuin PPF, mutta tuoton tulisi olla vain yksi osatekijä kokonaisvaltaisessa lähestymistavassa, joka kattaa useita tekijöitä: laajan ja kapean spektrin vertailun, valojakson, laadulliset hyödyt kuten maun tai värin, sekä PAR-alueen ulkopuolisten aallonpituuksien huomioinnin.
Kasvien vasteista ja eri viljelykasvien ihanteellisesta spektrikoostumuksesta ja tavoitelluista tuloksista ei vielä tiedetä paljoakaan. Tuote-esitteen ja optimaalisen spektrin välisen kuilun kaventamisen tulisi olla toimittajan ja asiakkaan yhteinen ponnistus, mutta oikea mittari tuo suunnittelijat lähemmäksi heidän tarpeisiinsa ihanteellista tuotetta.
Lue lisää INDOn LED-yläkasvatusvalaistusjärjestelmästä >
Artikkelin on kirjoittanut Toby Penter, liiketoiminnan kehitys, INDO
Lähteet:
(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)
