1. Base tècnica: Comunicació quàntica entre llum i aigua (1) El límit físic de la penetració espectral
L'aigua és molt selectiva sobre quins espectres absorbeix. La llum blava (450–480 nm) penetra més i es manté a una profunditat de 50 cm amb una transmitància del 75%. La llum verda (500–570 nm) és la segona, amb una transmitància d'uns 40%. La llum vermella (620–680 nm) s'esvaeix fins al 30% a una profunditat de 20 cm. És per això que les plantes que creixen sota l'aigua en masses d'aigua naturals semblen blaves-verdes: només la llum blava-verda pot travessar la barrera d'aigua i ser absorbida per la clorofil·la. La tecnologia LED supera les limitacions físiques de la llum natural controlant meticulosament la sortida espectral.
(2) La longitud d'ona que codifica per a la fotosíntesi
L'efecte sinèrgic de la clorofil·la a/b i els carotenoides és el que fa que la fotosíntesi a les plantes funcioni. La clorofil·la an absorbeix el 90% de la llum vermella a 660 nm, la clorofil·la b absorbeix el 85% de la llum blava a 430 nm i els carotenoides ajuden a absorbir la llum en el rang de 400-550 nm. Els experiments han demostrat que l'ús d'una font de llum LED amb una proporció 1:1 de llum vermella de 660 nm a llum blava de 450 nm pot millorar la taxa fotosintètica de les plantes aquàtiques en un 27% en comparació amb la llum blanca única i augmentar el contingut de clorofil·la en un 15%.
(3) El mecanisme molecular que controla la forma de la llum
Les plantes aquàtiques utilitzen el fitocrom i el criptocrom per detectar la llum. La llum vermella (660 nm) canvia la forma del pigment fotosensible Pr en Pfr, que atura el creixement de les tiges i inicia el desenvolupament dels cloroplasts. La llum vermella llunyana (730 nm) fa el contrari. El criptocrom detecta la llum blava i controla l'obertura i el tancament dels estomes i els cicles circadians. Aquest mecanisme de regulació de la llum a nivell molecular-permet que les plantes aquàtiques canviïn el seu desenvolupament en funció de la quantitat de llum que hi hagi.
2. L'ús de la tecnologia LED a l'aigua: del laboratori al mercat
(1) Reconstruir l'ecologia dels aquaris comercials
El SEA Aquarium de Singapur utilitza un sistema d'il·luminació LED en capes. La capa superior (com la figa d'aigua) utilitza un espectre de llum blava de 450 nm per ajudar a la diferenciació lateral dels brots. La capa mitjana (com Iron Crown) utilitza una proporció 1:2 de llum vermella de 660 nm i llum blava de 450 nm per ajudar a la síntesi de clorofil·la. La capa inferior (com Moss) utilitza llum vermella llunyana de 730 nm per controlar el ritme de creixement. En comparació amb la il·luminació habitual, la tecnologia millora la biomassa de les plantes aquàtiques en un 40% i redueix el risc de floracions d'algues en un 65%.
(2) Actualització intel·ligent per a aquaris domèstics
La llum intel·ligent d'aquari de Xiaomi Ecological Chain utilitza tecnologies IoT per aconseguir un control dinàmic de l'espectre. Per aconseguir que les plantes d'aigua comencin la fotosíntesi, imiteu l'espectre de la sortida del sol al matí, amb un 60% de la llum blava a 450 nm. Al migdia, canvieu al mode d'espectre complet (proporció vermell blau 1:1) per mantenir la taxa fotosintètica el més alta possible; Perquè sembli que el sol s'està ponint, canvia a una llum càlida de 2700 K (amb un 70% de llum vermella) al vespre. Les proves d'usuaris demostren que aquest mètode redueix el cicle de creixement de les plantes aquàtiques en un 20% i només afegeix 0,3 iuans per dia a les despeses d'electricitat.
(3) Usos innovadors en investigació científica
L'Institut d'Hidrologia de l'Acadèmia Xinesa de Ciències ha descobert que l'ús d'un sistema LED de tres-bandes amb llum vermella de 660 nm, llum blava de 430 nm i llum vermella llunyana de 730 nm pot augmentar la quantitat de midó a l'herba amarga en un 35% i la quantitat de proteïnes en un 22%. Quan es van cultivar algues d'aigua dolça, l'ús de LED que emeten determinades longituds d'ona va augmentar la producció de biomassa de Chlorella en 2,3 vegades en comparació amb els mètodes estàndard i el contingut d'àcids grassos Omega-3 en un 18%.
3. Problemes tècnics i solucions: com trencar contrasenyes fotosintètiques submarines
(1) Una manera de compensar l'atenuació espectral
Cada 10 cm més de profunditat hi ha l'aigua, menys llum vermella hi ha al voltant d'un 40%. La resposta és utilitzar xips LED d'alta potència (com la sèrie CREE XP-G3, que tenen una eficiència lumínica de 220 lm/W), afegir un disseny d'enfocament de la lent (com una lent d'angle gran-de 120 graus) i crear un sistema d'il·luminació en nivells (amb mòduls d'espectre independents establerts cada 20 cm de profunditat). Les proves han demostrat que aquests passos poden mantenir la PPFD (densitat de flux de fotons fotosintètics) per sobre de 150 μ mol/m²/s a una profunditat de 50 cm en aigua.
(2) Noves maneres de gestionar la calor
Per cada augment de 10 graus de la temperatura de la unió LED, l'eficiència lluminosa disminueix un 4% i la vida útil baixa un 50%. L'elevada humitat (80% a 95% d'humitat relativa) que és habitual en els ambients aquàtics fa que sigui encara més difícil desfer-se de la calor. Algunes solucions per a la indústria són: emprar plaques de PCB basades en alumini-(conductivitat tèrmica superior o igual a 2 W/m · K); dissenyar sistemes de refrigeració líquida i dissipació de calor (com ara canonades de refrigeració d'aigua circulant); i fabricar materials de canvi de fase (com els materials compostos de parafina/grafit expandit). Les proves han demostrat que aquestes tecnologies poden mantenir la temperatura d'unió dels LED per sota dels 65 graus i la taxa de decadència de la llum al 0,3% per quilowatt hora.
(3) L'habilitat d'equilibrar la seguretat fotobiològica
Massa llum blava (450–480 nm) pot aturar el creixement de les plantes aquàtiques. Els estudis indiquen que quan la llum blava PPFD supera els 80 μmol/m²/s, l'activitat del fotosistema II a l'herba amarga disminueix un 15%. L'enfocament inclou l'ús de la regulació dinàmica de l'espectre (com reduir la quantitat de llum blava en un 40% durant el dia) i la tecnologia de modulació d'amplada de pols (PWM) (amb una freqüència d'almenys 1 kHz per eliminar el parpelleig). Establiu una protecció de llindar d'intensitat de llum que redueixi automàticament quan el PPFD supera els 200 μ mol/m²/s.
