Kan lysdioder bruges til planteproduktion?

Forfatter: Ole Rasmussen
Oprettet: 08/09-2008 08/09-2008
Sidst redigeret: 19/12-2009 19/12-2009
Oprettet under: Planter
 Del

Af Janni Bjerregaard Lund • Sektion for Afgrødevidenskab • KVL
Ole Skou • Konsulent • DEG GreenTeam
Birgitte Thestrup og Carsten Dam-Hansen • Afdeling for Optik og Plasmaforskning • Risø

Der er ingen tvivl om at lysdioder (også kaldet LEDs for light emitting diodes) er fremtidens lyskilde. Lysdiodernes kompakte størrelse, robusthed og lange levetid gør dem til en formidabel lyskilde. I trafikken ser vi dem i skilte, billygter og signal lys og som effektbelysning på bygninger. Inden længe vil vi se lysdioder til generel belysning i vores hjem, men kan de også bruges til at producere planter?

De første forsøg med brug af lysdioder til plantedyrkning blev foretaget af Kennedy space center, da de ønsker at producere planter i rummet, således at astronauterne har frisk salat, peber og radiser, når de er på længere missioner. Det er lykkedes at dyrke en hel del spiselige planter ved hjælp af blå og røde lysdioder. Der er dog stadig meget langt fra vækstkasser i en rumstation til dansk gartneri.

I øjeblikket bruges i gartnerierne hovedsageligt højtryksnatriumlamper og sammenlignes de med lysdioderne er lysdioderne endnu ikke effektive nok, deres evne til at omdanne watt til lys (virkningsgraden, Tabel 1) er på 20%, mens en højtryksnatriumlampe (SON-T) er på 30-36%. Højtryksnatriumlampers spektralfordeling er dog ikke optimal da størstedelen af det udsendte lys ligger i det gule spektralområde, hvilket ikke er optimalt for planters fotosyntese og de har en høj varmestråling.

Lysdioder har vi kendt igennem snart 50 år og der er sket en rivende udvikling over denne tid. Fra at være brugt som farvede indikatorpærer på elektronik udstyr, finder de nu vej til generelle belysnings formål. Nu fås høj effekts lysdioder der udsender op til 100 lumen, med en energieffektivitet på 13 – 53 lumen/W afhængigt af farven. I øjeblikket er de rød-orange og røde de mest effektive med mellem 42 og 53 lumen/watt. De blå er de mindst effektive med 13 lumen/watt.

Ifølge Elsparefondens rapport om lysdioder forudsiges det at, hvis lysdiodeindustrien når 100 lumen/watt, vil de mulige energibesparelser alene i USA løbe op i hvad der svarer til 29 store kraftværker i USA. Det er så store energibesparelser, at udbredelse og udvikling af lysdioderne er kommet på listen over den nationale forsyningssikkerhed i USA.

Det er primært automobilindustrien, der driver denne udvikling af kraftigere og billigere lysdioder. Der ske en fordobling af lysmængden og effektiviteten ca. hvert tredje år, hvilket betyder at indenfor en overskuelig årrække kan det forventes at lysdioderne vil være mere effektive til at omsætte strøm til plantelys end højtryksnatriumlampen.

Yderligere fordele ved lysdioder frem for konventionelle lyskilder er deres lange levetid på 50.000 timer (SON-T 7000 til 10.000 timer) og at de ikke udsender nogen varmestråling. Lysdioder er farvede lyskilder og findes i en række forskellige farver i det synlige område; blå, grønne, gule, orange og røde. Det er muligheden for at sammensætte lysets spektralfordeling af de enkelte farver, der gør lysdioder specielt attraktive til plantedyrkning. Lyset kan sammensættes således at planten udnytter det optimalt i fotosyntesen, og får den bedste effekt på formningen af planten.

Der er desuden mulighed for at designe armaturer til lysdioderne således at spektralfordelingen tilpasses planteart, plantens udvikling, den naturlige indstråling osv. Lysdiodearmaturer kan også placeres tættere på planterne, da de ikke udsender nogen varmestråling. Lysdioderne bliver dog varme og denne varme skal fjernes for at opretholde den lange levetid. I Holland er et system under udarbejdelse, hvor denne varmeafgivelse genanvendes til opvarmning af væksthuset.

Som i NASAs forsøg forventes det at blåt og rødt lys vil være de vigtigste farver. Rødt lys udnyttes meget effektivt i fotosyntesen, mens blåt lys dels benyttes til fotosyntesen, men også stimulerer åbning af stomata. Et stort indhold af blåt lys stimulerer desuden en lav og kompakt plantevækst.

De mest effektive lysdioder produceres i øjeblikket af Lumileds, et firma ejet af Philips. Under et besøg i firmaets hollandske afdeling blev der giver udtryk for at de blå dioder har det største potentiale for at tage et stort spring på lumen/watt skalaen indenfor en overskuelig fremtid. Det er også væsentligt hvis vi skal bruge lyset til planteformning.

Det lys planterne modtager lige inden en mørkeperiode har vist sig at være meget vigtig for strækningsvæksten. Forsøg på KVL har vist, at solnedgangslyset ved produktion af Krysantemum i vinterhalvåret bør fjernes, da det indeholder meget lang rødt lys (~735 nm) og kan med fordel udskiftes med rødt lys (~660 nm) i 15-30 min. Herved opnås en mindre strækningsvækst i planterne.

Ved brug af lysdioder er det muligt at variere lysets spektralfordeling med tiden, med en fordeling om dagen til fotosyntese og en anden til f.eks. ”end-of-day” behandlinger, således at strækningsvæksten kan begrænses. KVL arbejder i øjeblikket sammen med RISØ, DEG greenteam, NESA og RGB Lamps på at afprøve lysdioder til produktion af potteplanter i væksthuse. I efteråret vil en testlampe udviklet af forskere fra afdelingen for Optik og Plasmaforskning på RISØ blive afprøvet på KVL. I første omgang måles effekten af blåt og rødt lys på fotosyntesen i Krysantemum.

I disse forsøg fjernes dagslyset, så vi kan finde det forhold mellem blåt og rødt lys, som giver optimal fotosyntese. En optimal fotosyntese opnås normalt med mellem 5 og 35% blåt lys, men præcist hvor niveauet ligger for Krysantemum vides endnu ikke. Herefter afprøves lysdioder til produktion i vinterhalvåret.

Forskningen starter allerede nu, da vi skal kende til den optimale spektralfordeling og derved være klar, når lysdioderne bliver effektive nok. Forskningen foregår i et tæt samarbejde med en gruppe forskere fra det hollandske landbrugsuniversitet i Wageningen og mens KVL fokuserer på produktion af potteplanter og derved også formning af planter fokuserer de hollandske forskere på brug af lysdioder til dyrkning af grønsagskulturer. Resultaterne vil løbende blive offentliggjort i gartner tidende.