Когда на растение падает свет полного спектра, он содержит как продуктивные, так и вредоносные фотоны, и растениям приходится бороться с ненужным светом, тратя энергию на свою защиту. Ученые предложили альтернативное покрытие для томатных теплиц нового поколения или для объектов агровольтаики.
О прорывном достижении для помидорных теплиц будущего пишет Уэйн Хикс в релизе Национальной лаборатории возобновляемой энергии Министерства энергетики США (NREL).
…Прошлым летом в Национальной лаборатории возобновляемой энергии Министерства энергетики США исследователи выращивали дюжину растений томатов для поиска идеального светового рецепта. Растения были размещены на втором этаже здания полевой испытательной лаборатории в двух специальных теплицах. Шесть из них подвергались воздействию полного солнечного спектра, что служило контролем для шести растений, выращенных при меньшем освещении. Уменьшенный солнечный свет, достигавший других растений, фильтровался через особые пурпурные панели, так что до них доходил только спектр, наиболее полезный для томатов.
Эксперимент был призван доказать эффективность фотоэлектрического фильтра BioMatch, который позволяет точному спектру света, который лучше всего подходит физиологическим потребностям растения, проходить через органические полупроводниковые материалы, используемые в солнечных батареях. Теперь, на втором году междисциплинарного проекта, известного как «No Photon Left Behind» («Ни одного фотона не осталось позади»), исследователи определили, что ограничение спектра заставляет томаты расти быстрее и крупнее, чем те, которые находятся под прямыми солнечными лучами.
«Когда свет контактирует с растением, может произойти много всего. В зависимости от типа и количества света запускаются различные физиологические пути. Эти физиологические пути часто определяют продуктивность растения», - сказал Брайон Ларсон, химик из NREL, специализирующийся на органической фотоэлектрике (OPV) и главный исследователь проекта.
«Мы изучаем, что происходит с растениями, когда солнечный свет фильтруется только в том спектре и дозе, которые необходимы растению, что является потребностью растений в свете, и мы можем добиться этого с помощью концепции спектрального сбора BioMatched, используя при этом свет, который не нужен растениям, для выработки электроэнергии с помощью прозрачных модулей OPV», - поясняет он.
Исследователи выращивали томаты рядом с лабораторным пространством, отведенным для водорослей. Фактически, первые эксперименты в рамках этого проекта включали водоросли. Ученые накрыли бутылки с одноклеточным организмом фотоэлектрическим фильтром BioMatched, предназначенным для стимуляции оптимального роста. Вместо месяцев, которые требуются для выращивания томатов, работа над водорослями оказалась плодотворной за одни выходные.
Лив Лоренс, биолог растений, возглавляющая исследования водорослей в NREL, выступает в качестве со-руководителя проекта. «Мы продемонстрировали, что клетки росли быстрее, производя больше биомассы, даже несмотря на то, что большая часть спектра была удалена, и водоросли в целом получили меньше фотонов. Мы обнаружили, что фотосинтетические водоросли имеют гораздо более высокую скорость преобразования фотонов в электроны для биомассы, так что это было здорово. Поэтому, естественно, мы задались вопросом, будут ли те же эффекты распространяться на растения и сельскохозяйственные культуры, где можно было бы получить тот же урожай, используя только тот спектр света, который необходим сельскохозяйственным культурам, без необходимости отражать обратно свет, который им не нужен, в виде бесполезных фотонов», - рассказала Лоренс.
Результаты показали, что наука была обоснованной, предоставили предварительные данные и дали исследователям уверенность в том, что они смогут подать заявку на финансирование по программе Laboratory Directed Research and Development. Отдельная теплица была бы идеальным вариантом, но ученым пришлось довольствоваться имеющимся пространством.
Фотоэлектрические устройства улавливают солнечный свет и преобразуют его в электричество. Фильтры OPV для водорослей и томатов не генерируют электричество, но конечной целью будет включение материалов BioMatched в полупрозрачные солнечные панели, которые будут поставлять электроэнергию в теплицу, пропуская при этом свет для растений.
«Когда на растение падает свет полного спектра, он содержит как продуктивные, так и вредоносные фотоны, и растениям приходится бороться с ненужным светом, тратя энергию на свою защиту. Водоросли должны это делать. Обычные растения должны это делать. Если бы вы взяли полезные и бесполезные длины волн света, которые вам нужно отделить, собрали бесполезную часть для электричества и отправили другую часть для роста растений, вы бы спроектировали систему, которая в целом более эффективно использует солнечную энергию, поскольку она спектрально распределяет ее по разным функциям - рост растений посредством фотосинтеза плюс выработка электроэнергии посредством фотоэлектричества. Это уникальный элемент нашей работы, отсюда и название, что ни один фотон не пропадет зря», - сказал Ларсон.
Сет Штайхен, биолог, работающий с Лоренс, внимательно следил за томатами, ему помогала Келли Гроувс. Они увидели, что растения, выращенные под OPV BioMatched Light, поднялись выше, чем соседние растения, обработанные полным солнечным светом. Несмотря на то, что контрольные растения получают на 30% больше света, растения OPV выборочно купаются в той части солнечного спектра, в которой они нуждаются. Плоды томатов размером с бейсбольный мяч получились очень яркими и сочными.
«Для лабораторных экспериментов эти особенно яркие томаты - нечто неслыханное, - сказал Штайхен. - По сути, никто не проводит с ними лабораторных экспериментов. Из-за их размера, относительно долгого жизненного цикла, томаты обычно не используют для лабораторных экспериментов. Это наиболее часто выращиваемый сорт томатов в теплицах в США, поэтому они растут здесь прямо сейчас, чтобы сделать максимально возможную связь с реальным миром».
Регулярно проводимые тесты учитывали такие факторы, как размер, вес и выход фотосинтеза, который измеряет, насколько хорошо растения преобразуют свет в биомассу. Помидоры, выращенные под фильтрами BioMatched, вышли вперед.
«В целом, они немного более эффективны с точки зрения фотосинтетического выхода, чем контрольные растения. Общая концепция здесь заключается в том, что вы все равно можете убрать часть света и преобразовать его в электроны, сохраняя при этом тот же объем урожая фруктов. Это просто проверка того, работает ли это с данной химией светофильтрации, в принципе», - сказал Штайхен, указывая на растения под фильтрованным светом.
Наиболее широко используемые солнечные элементы являются неорганическими и сделаны из одного материала, а именно кремния. Но исследователи NREL были пионерами в работе над солнечными элементами на основе органических полупроводников, которые производятся с использованием синтетической химии. Эти органические фотоэлектрические устройства показали многообещающие возможности и потенциал для производства высокоэффективных элементов, которые также являются гибкими, легкими и недорогими.
За более чем 15 лет работы в NREL Ларсон накопил базу данных свойств органических полупроводников, что позволяет ему выбирать соединения, которые будут создавать нужный спектр для конкретного растения.
Растения преобразуют свет в химическую энергию, необходимую для роста. После расчета количества света, необходимого растению, команда использует созданную ими программу для создания композиций BioMatch на основе заданных потребностей растения в свете. Затем команда масштабирует процессы осаждения тонкой пленки для производства соответствующих фильтров, позволяющих только желаемому спектру достигать растений. Чтобы показать, что обратное также верно, они показали, что анти-BioMatch фильтры быстро лишат растение света.
Исследование может сыграть важную роль в новой области агровольтаики, в которой различные растения выращиваются вблизи и под рядами солнечных панелей, или помочь в разработке энергоэффективных теплиц следующего поколения. Панели могут быть адаптированы к любым видам растений.
Заключительным этапом исследования стал дегустационный тест. Ларсон приобрел органически выращенные промышленные эталонные тепличные томаты в качестве части теста. Он нарезал разные томаты, разложил их на тарелках и перемешал их так, что даже он не мог отличить, какие из них какие. Только этикетки на дне тарелок содержали ответ. Исследователи попробовали томаты по отдельности, с солью, с перцем, с крекерами, а затем расположили каждый в порядке предпочтения.
Покупные помидоры оказались на последнем месте. Консенсус разделился между тем, были ли фаворитами помидоры, выращенные под OPV, и контрольные помидоры, выращенные под обычным солнечным светом. Ларсон сказал, что воспринял эти результаты как победу Штайхена и биологической команды, которые отвечали за уход за помидорами шесть дней в неделю в течение почти пяти месяцев. Завершив первый эксперимент, да еще и вкусный, исследователи находятся на пути к более глубокому пониманию взаимодействия света и роста растений.
Источник: NREL. Автор: Уэйн Хикс.
На фото - исследователи NREL Брайон Ларсон и Лив Лоренс позируют в здании полевой испытательной лаборатории, где выращивают различные растения, включая томаты.