1. Tehniline alus: Kvantside valguse ja vee vahel (1) Spektri läbitungimise füüsikaline piir
Vesi on väga selektiivne selle suhtes, milliseid spektreid ta neelab. Sinine valgus (450–480 nm) tungib kõige rohkem ja jääb 50 cm sügavusele läbilaskvusega 75%. Roheline tuli (500–570 nm) on teine, läbilaskvusega umbes 40%. Punane valgus (620–680 nm) tuhmub 20 cm sügavusel 30%-ni. Seetõttu tunduvad looduslikes veekogudes vee all kasvavad taimed sinised{15}}rohelised: ainult sinine-roheline valgus pääseb läbi veetõkke ja imendub klorofülli. LED-tehnoloogia ületab loomuliku valguse füüsilised piirangud, kontrollides hoolikalt spektraalset väljundit.
(2) Fotosünteesi kodeeriv lainepikkus
Klorofülli a/b ja karotenoidide sünergistlik toime paneb taimedes fotosünteesi tööle. Klorofüll an neelab 90% punasest valgusest lainepikkusel 660 nm, klorofüll b neelab 85% sinisest valgusest lainepikkusel 430 nm ja karotenoidid aitavad neelata valgust vahemikus 400–550 nm. Katsed on näidanud, et LED-valgusallika kasutamine 660 nm punase ja 450 nm sinise valguse suhtega 1:1 võib suurendada veetaimede fotosünteesi kiirust 27% võrra võrreldes üksiku valge valgusega ja tõsta klorofülli sisaldust 15%.
(3) Molekulaarne mehhanism, mis kontrollib valguse kuju
Veetaimed kasutavad valguse tajumiseks fütokroomi ja krüptokroomi. Punane valgus (660nm) muudab valgustundliku pigmendi Pr kuju Pfr-ks, mis peatab varte kasvu ja käivitab kloroplastide arengu. Kaugpunane tuli (730nm) teeb vastupidist. Krüptokroom tuvastab sinise valguse ning juhib stoomide ja ööpäevaringsete tsüklite avamist ja sulgemist. See molekulaarsel-tasemel valguse reguleerimise mehhanism võimaldab veetaimedel muuta oma arengut olenevalt sellest, kui palju valgust on.
2. LED-tehnoloogia kasutamine vees: laborist turule
(1) Kaubanduslike akvaariumide ökoloogia taastamine
Singapuris asuv SEA Aquarium kasutab kihilist LED-valgustussüsteemi. Pealmine kiht (nagu vesiviigipuu) kasutab 450 nm sinise valguse spektrit, et aidata pungade külgmiselt eristada. Keskmine kiht (nagu Iron Crown) kasutab klorofülli sünteesi soodustamiseks 660 nm punast valgust ja 450 nm sinist valgust 1:2. Alumine kiht (nagu Moss) kasutab kasvurütmi kontrollimiseks 730 nm kaugpunast valgust. Võrreldes tavalise valgustusega suurendab tehnoloogia veetaimede biomassi 40% ja vähendab vetikate õitsemise ohtu 65%.
(2) Nutikas värskendus koduakvaariumitele
Xiaomi Ecological Chain intelligentne akvaariumi valgusti kasutab spektridünaamilise juhtimise saavutamiseks asjade Interneti-tehnoloogiaid. Veetaimede fotosünteesi käivitamiseks jäljendage hommikust päikesetõusu spektrit, kus 60% valgusest on sinine valgus lainepikkusel 450 nm. Keskpäeval lülitage täisspektri režiimile (punase sinise suhe 1:1), et hoida fotosünteesi kiirust võimalikult kõrgel; Päikese loojumise tundmiseks lülitage õhtul 2700K soojale valgusele (70% punase valgusega). Kasutajate testimine näitab, et see meetod vähendab veetaimede kasvutsüklit 20% ja lisab elektrikuludele ainult 0,3 jüaani päevas.
(3) Läbimurdeline kasutus teadusuuringutes
Hiina Teaduste Akadeemia Hüdroloogiainstituut on leidnud, et 660 nm punase, 430 nm sinise ja 730 nm kaugpunase valgusega kolme-riba LED-süsteemi kasutamine võib suurendada tärklise kogust mõrus rohus 35% ja valgu kogust 22%. Mageveevetikate kasvatamisel suurendas teatud lainepikkusi kiirgavate LED-ide kasutamine klorella biomassi tootmist tavameetoditega võrreldes 2,3 korda ja oomega-3 rasvhapete sisaldust 18%.
3. Tehnilised probleemid ja lahendused: kuidas murda veealuseid fotosünteetilisi paroole
(1) Võimalus kompenseerida spektraalset sumbumist
Iga 10 cm võrra sügavamal on vesi, seda vähem on punast valgust umbes 40%. Vastus on kasutada suure-võimsusega LED-kiipe (nagu CREE XP-G3-seeria, mille valgusefektiivsus on 220 lm/W), lisada objektiivi teravustamise disain (nagu 120-kraadise lai{8}}nurgaga objektiiv) ja luua mitmetasandiline valgustussüsteem (sõltumatute spektrimoodulitega, mis on seatud iga 20 cm vee sügavuse järel). Katsed on näidanud, et need sammud suudavad hoida PPFD (fotosünteetilise footoni voo tihedus) 50 cm sügavusel vees üle 150 μmol/m²/s.
(2) Uued viisid soojuse haldamiseks
LED-ristmiku temperatuuri iga 10-kraadise tõusu korral langeb valgusefektiivsus 4% ja eluiga 50%. Veekeskkonnas levinud kõrge õhuniiskus (suhteline õhuniiskus 80% kuni 95%) muudab kuumusest vabanemise veelgi raskemaks. Mõned lahendused tööstusele on järgmised: alumiinium-põhiste PCB-plaatide kasutamine (soojusjuhtivus on suurem või võrdne 2W/m · K); vedelikjahutuse ja soojuse hajutamise süsteemide projekteerimine (nt tsirkuleerivad vesijahutustorustikud); ja faasimuutusmaterjalide valmistamine (nagu parafiin/paisutatud grafiit komposiitmaterjalid). Katsed on näidanud, et need tehnoloogiad suudavad hoida LED-ide ühendustemperatuuri alla 65 kraadi ja valguse vähenemise kiirust 0,3% kilovatt-tunni kohta.
(3) Fotobioloogilise ohutuse tasakaalustamise oskus
Liiga palju sinist valgust (450–480 nm) võib veetaimede kasvu peatada. Uuringud näitavad, et kui sinise valguse PPFD ületab 80 μmol/m²/s, väheneb fotosüsteemi II aktiivsus mõru rohus 15%. See lähenemisviis hõlmab dünaamilise spektri reguleerimist (selline sinise valguse hulga vähendamine päeva jooksul 40% võrra) ja impulsi laiuse modulatsiooni (PWM) tehnoloogiat (sagedusega vähemalt 1 kHz, et vältida virvendust). Seadke valgustugevuse lävikaitse, mis langeb automaatselt, kui PPFD ületab 200 μ mol/m ²/s.
