Система была разработана и протестирована в ходе научной работы, проведенной профессором биологии растений Трейси Лоусон, которая проводила исследования в Университете Эссекса и в настоящее время является членом Института геномной биологии имени Карла Р. Вуза в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн. Работа, опубликованная в журнале Smart Agricultural Technology, стала результатом ее стремления помочь установить жизнеспособность вертикального земледелия для крупномасштабного производства продуктов питания.
«Одним из ключевых аспектов вертикального земледелия, конечно же, являются затраты энергии, связанные с использованием светодиодного освещения, — сказала Лоусон. — Вот с чего все и началось — с попыток экономить энергию».
Перспективы вертикального земледелия и энергозатраты
Современное сельское хозяйство сталкивается с множеством проблем, включая борьбу с вредителями и экстремальные погодные условия, а спрос на продукты питания продолжает расти вместе с увеличением населения мира. Вертикальные фермы, расположенные в закрытых помещениях с меньшей площадью и контролируемым орошением и освещением, позволяют обойти некоторые из этих проблем. Они также значительно сокращают потребление воды и практически полностью исключают необходимость использования пестицидов. Однако даже при использовании высокоэффективного светодиодного освещения затраты на электроэнергию в вертикальных фермах остаются существенным препятствием.
Лоусон и ее коллеги сосредоточились на нераскрытом потенциале светодиодного освещения для сельского хозяйства в контролируемой среде. Помимо меньшего энергопотребления, этот тип освещения предлагает в контролируемой среде те же преимущества, что и в домашних кинотеатрах — его интенсивность и цвет практически бесконечно регулируются. Следует отметить, большинство существующих вертикальных ферм используют освещение по простым схемам включения/выключения.
Опираясь на свои предыдущие исследования, посвященные изучению влияния динамических световых режимов (таких, которые характерны для естественной среды), Лоусон и ее команда последовательно наблюдали снижение эффективности фотосинтеза к концу фотопериода. Эти результаты ставят под сомнение широкое использование простых режимов освещения с прямоугольными импульсами в контролируемой среде выращивания. Как ученые-растениеводы, так и фермеры испытывают недостаток информации о том, какие режимы освещения могут быть предпочтительны для сельскохозяйственных культур.
Команда Лоусона поняла, что может решить эту проблему, спросив растения, что им нужно. Как это возможно? Когда растения подвергаются воздействию света, зеленый хлорофилл в их листьях поглощает свет и использует его для фотосинтеза. Однако любой неиспользованный свет может повредить растения, если он не рассеивается в виде тепла или не возвращается из листьев в виде флуоресценции хлорофилла.
Флуоресценция хлорофилла — распространенный инструмент в физиологии растений для понимания использования света растениями и того, получает ли растение больше света, чем может использовать в данный момент.
«Я использовала флуоресценцию хлорофилла в качестве инструмента для измерения фотосинтеза, — сказала Лоусон. — Я подумала, что мы могли бы создать систему, в которой мы будем измерять эффективность фотосинтеза и использовать это как способ для растения в режиме реального времени «сообщать», чего оно действительно хочет».
Управление освещением с помощью ИИ в экспериментах с базиликом
В качестве экспериментальной культуры для такой системы освещения ученые выращивали базилик, который хорошо растет в помещении. Они напрямую измеряли эффективность фотосинтеза листьев базилика, используя систему мониторинга флуоресценции хлорофилла, и применяли искусственный интеллект для регулирования освещения на основе сигналов, непосредственно излучаемых растением, что позволяло растениям регулировать интенсивность света. Если растениям не хватало света, освещение приглушалось, экономя энергию и предотвращая повреждение листьев.
Исследование показало, что после достижения пика интенсивности света через шесть часов, режим освещения, соответствующий потребностям растений, постепенно ослабевал в течение последних 12 часов светового дня.
«Почему это происходит? Было выдвинуто множество идей, и одна из них заключается в том, что, как только растение накапливает достаточное количество углеводов и усваивает достаточное количество углерода, это способ сэкономить энергию, не используя то, что ему на самом деле не нужно. Есть предположение, что это своего рода сигнал обратной связи — „Я сыт“», — сказала Лоусон.
Увеличение доходности и практическое применение
Благодаря системе обратной связи по освещенности в вертикальной ферме урожайность увеличилась примерно на 13%, а затраты на электроэнергию одновременно снизились примерно на 6%, что как раз и делает вертикальное земледелие доступным. Система также достаточно проста в внедрении, как только производители смогут в нее инвестировать.
«Я думаю, что систему обратной связи сейчас относительно легко внедрить в вертикальную ферму. Она также обладает большим потенциалом для использования, возможно, в сочетании с другими инструментами, для создания режимов и схем освещения для различных культур. Таким образом, можно будет прогнозировать и адаптировать конкретные режимы освещения для отрасли, регулируя свет без необходимости постоянного мониторинга», — сказала Лоусон.
В дальнейшем Лоусон хотела бы изучить больше условий выращивания растений в закрытых помещениях и различных видов растений, чтобы выяснить, как закономерности потребления света базиликом могут быть обобщены. Кроме того, она работает над изучением и оптимизацией других аспектов выращивания культур в закрытых помещениях, включая цвет освещения.
«Каковы идеальные спектры для определенных растений? Используя интенсивность света и спектральные настройки, мы можем воздействовать на вторичные метаболиты непосредственно перед сбором урожая; увеличивать количество антоцианов, которые являются антиоксидантами, обладающими полезными для здоровья свойствами; мы можем заставить листья рукколы изменить форму и стать фиолетовыми за 24 часа… Меня также интересует, как мы можем изменить условия освещения и сохранить свежесть и питательные вещества. Мы можем многое сделать, манипулируя условиями освещения», заключила ученый.
Источник: University of Illinois at Urbana-Champaign. Автор: Клаудия Лутц.
На фото Трейси Лоусон на вертикальной ферме коммерческого класса в новаторской лаборатории STEPS Университета Эссекса. Фото: Университет Эссекса.
