Lampade a LED per coltivazione indoor

Si prevede che entro il 2050 la popolazione mondiale raggiungerà i 9,7 miliardi. L’agricoltura avrà il compito di sfamare tutte queste persone, facendo un uso molto attento delle risorse del suolo, dell’acqua e dell’energia. Una soluzione per l’orticoltura sono le lampade per coltivazione indoor, ovvero la coltivazione di aree coperte che non necessitano di luce solare. Alla base di questa tecnica vi è la consapevolezza che la crescita delle piante può essere ottimizzata con l’uso mirato di luce colorata da diodi a emissione di luce.

Le lampade a LED per piante consentono di risparmiare energia e, indirettamente, riducono al minimo l’uso di pesticidi e fertilizzanti, nonché il consumo di acqua e terreno. Installando serre al chiuso vicine ai centri urbani, si riducono i trasporti e, di conseguenza, l’inquinamento da CO2. Ad esempio, il 98% della lattuga coltivata negli Stati Uniti proviene dalla California e dall’Arizona. Camion e treni merci devono percorrere fino a 4.200 km per portare l’insalata ai consumatori di New York. Poiché i costi di trasporto incidono fortemente sul prezzo di vendita, il concetto di agricoltura urbana a LED potrebbe persino rendere le verdure più economiche.

Lo sviluppo di tendenze come l’agricoltura urbana o l’agricoltura verticale è possibile solo grazie all’illuminazione fornita dai LED.

Oltre alla produzione alimentare, anche la legalizzazione della cannabis potrebbe diventare un fattore di crescita per la coltivazione indoor con lampade LED fitostimolanti.

In passato, la fonte luminosa più importante per le piante coltivate al chiuso erano le lampade ai vapori di sodio ad alta pressione. Ma i LED sono più efficienti dal punto di vista energetico, generano meno calore e hanno una durata superiore (Tabelle 1 e 2).

Vapori di sodio ad alta pressione

Fonte luminosa	Potenza di ingresso (W)	PPF (μmol s-1)	Efficienza fotonica (μmol J-1)
400W (magnetica)	443	416	0,94
1000W (magnetica)	1.067	1.090	1,02
1000W (elettrica)	1.024	1.333	1,30

LED (@350 mA)

Fonte luminosa	Potenza di ingresso (W)	PPF (μmol s-1)	Efficienza fotonica (μmol J-1)
WL-SMDC Deep Blue	1,12	2,31	2,06
WL-SMDC Hyper Red	0,84	1,81	2,15
WL-SMTC Moonlight	1,12	1,58	1,41
WL-SMTC Daylight	1,12	1,69	1,51

Tabelle 1 e 2 Efficienza fotonica del LED rispetto alle fonti luminose HID (Fonte: Würth Elektronik).

I costi di investimento delle lampade ai vapori di sodio ad alta pressione sono generalmente da due a quattro volte inferiori a quelli dei sistemi a LED. Ma il ritorno sull’investimento dell’illuminazione a lampade LED per coltivazione indoor si può già ottenere dopo appena uno o due anni, poiché il consumo energetico dei LED è molto più basso. Si parla di efficienza di conversione energetica: il rapporto tra potenza ottica e potenza elettrica, ovvero che percentuale di potenza viene convertita in luce.

Il sistema al sodio ad alta pressione più efficiente disponibile può raggiungere un’efficienza di conversione energetica superiore al 50%. Il sistema a LED più efficiente con una combinazione di LED Hyper Red da 616 nanometri e LED Deep Blue da 450 nanometri (queste due lunghezze d’onda sono perfette per le applicazioni orticole) può raggiungere valori superiori all’80%.

Alle giuste temperature (al di sotto della temperatura massima di esercizio), i LED funzionano fino a 60.000 ore, che equivalgono a 9,1, 13,7 e 20,5 anni se vengono utilizzati rispettivamente per 18, 12 e 8 ore al giorno. A temperature più alte o in caso di funzionamento con correnti più elevate, queste cifre scendono notevolmente. I LED possono funzionare fino a circa il 70% della loro potenza luminosa. (Fonte: Würth Elektronik) Le lampade ai vapori di sodio ad alta pressione (1.000 W) con LED su entrambi i lati hanno una durata da 10.000 a 24.000 ore, ovvero 3,7, 5,5 e 8,2 anni con un utilizzo medio di 18, 12 e 8 ore al giorno. Tuttavia, per rispettare i valori di lumen richiesti sarà probabilmente necessario sostituire la lampada entro i primi cinque anni. (Fonte: Würth Elektronik)

Le lampade ad alogenuri metallici hanno una durata compresa tra 6.000 e 20.000 ore, mentre le lampade fluorescenti (T-5 e T-8) hanno una durata compresa tra 20.000 e 36.000 ore. Anche in questo caso, per rispettare determinati valori di lumen, le lampade andranno sostituite prima di raggiungere questo valore massimo. (Fonte: Würth Elektronik)

Vi sono diverse proprietà della luce che contribuiscono a determinare la crescita e lo sviluppo delle piante. I fattori primari sono: il giusto spettro, l’efficienza della fonte luminosa e l’intensità della luce. Dal punto di vista economico, sono fondamentali la durata e i costi di investimento e di esercizio dell’illuminazione.

I LED bianchi sono ancora più efficienti dei sistemi al sodio ad alta pressione, ma la loro efficienza del 66% è ben al di sotto di quella di una combinazione rosso/blu a emissione diretta.

Poiché le piante sono immobili, possono reagire solo alle lunghezze d’onda e alle intensità luminose irradianti. Ciò può causare reazioni alla crescita all’ombra, durante il giorno/la notte o a climi diversi. È quindi sensato utilizzare la luce artificiale di diverse lunghezze d’onda per controllare o manipolare le fasi di crescita e sviluppo delle piante. Si avranno risultati a livello di velocità della fotosintesi (tasso di fotosintesi), influenza sull’anatomia della pianta (fotomorfogenesi) e determinazione della direzione di crescita (fototropismo).

La fotosintesi vegetale è un processo in cui la luce viene convertita in energia chimicamente legata. Produce biomolecole ad alta energia da sostanze a bassa energia con l’aiuto dell’energia luminosa. In questo processo, i pigmenti che assorbono la luce, come la clorofilla, contribuiscono a convertire la luce in energia chimica. Questa energia viene a sua volta utilizzata principalmente per costruire carboidrati a partire da anidride carbonica e acqua.

Immagine 1. Radiazione fotosinteticamente attiva nell’intervallo PAR.

I pigmenti principali sono la clorofilla A e la clorofilla B. La clorofilla A è il pigmento luminoso primario, che rappresenta circa il 75% dell’attività fotosintetica e ha picchi di assorbimento a _{435 nm e} 675 nm. La clorofilla B estende l’intervallo di lunghezze d’onda che può essere utilizzato per la fotosintesi con picchi di assorbimento a _{460 nm e} 640 nm. Questo intervallo rosso/blu è chiamato radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) e va da circa 400 nm a 700 nm (Fig. 1). Gli esperimenti mostrano che uno spettro rosso/blu si traduce in una percentuale significativamente maggiore di biomassa rispetto allo spettro di una sorgente di luce bianca.

La luce verde (500 - 600 nm) è stata a lungo considerata irrilevante per lo sviluppo delle piante, ma gli studi hanno dimostrato che, a questa lunghezza d’onda, le piante all’ombra di altre piante reagiscono con una “risposta di evitamento dell’ombra” particolarmente salutare. La luce in questo intervallo di lunghezze d’onda viene solitamente generata con LED bianchi, che forniscono anche lunghezze d’onda blu.

Nella coltivazione indoor, le combinazioni abituali di LED sono rosso e blu o rosso e bianco. LED bianchi perché emettono “naturalmente” un’alta percentuale di blu. Tuttavia, forniscono anche luce nell’intervallo di lunghezze d’onda rosse, che di solito sarebbe già coperto dai LED rossi nel sistema di illuminazione. Un’illuminazione esclusivamente bianca richiederebbe molta più energia per un numero comparabile di fotoni rossi rispetto ai LED che emettono direttamente il rosso.

Immagine 2. Schema dei costi con utilizzo di LED rossi e bianchi

Con Osconiq S 5050, Osram ha ottenuto una resa del sistema più elevata nello spettro della luce rossa e bianca, riducendo la percentuale di fotoni rossi convertiti al fosforo. Uno speciale materiale fluorescente indica il taglio metaforico per la gamma spettrale del rosso. Riduce notevolmente la percentuale rossa della luce bianca del LED e una combinazione di LED rosso/bianco sarebbe vantaggiosa in termini di energia.

In orticoltura, per garantire una crescita efficiente delle piante, le luci devono fornire una certa quantità di fotoni. L’intensità luminosa necessaria varia a seconda delle diverse specie vegetali e deve basarsi sui seguenti valori:

• Potenza di una sorgente luminosa in

   PPF (flusso di fotoni fotosintetici): quantità di fotoni emessi al secondo. L’unità è μmol/s.

• Quantità di fotoni che colpiscono un metro quadrato in un secondo. Il parametro è

   PPFD (densità di flusso di fotoni fotosintetici): L’unità è μmol/m2 · s.

• Efficacia dei fotoni fotosintetici (PPE): Indica l’efficienza dell’illuminazione quando converte l’energia elettrica in fotoni nell’intervallo PAR. L’unità è μmol/J.

Ad esempio, i pomodori richiedono una densità di flusso di fotoni fotosintetici o PPFD compresa tra 300 e 500 μmol/m2 · s, la lattuga tra 150 e 300 μmol/m2 · s e la cannabis tra 300 e 1100 μmol/m2 · s.

Una maggiore intensità di fotoni al metro quadrato di solito si traduce in una maggiore crescita delle piante attraverso la fotosintesi, ma questo processo è limitato e dipende dalla quantità di anidride carbonica che le piante riescono ad assorbire ed elaborare. Ad ogni specie vegetale si applica una curva logaritmica diversa.

Utilizzando l’illuminazione a LED, è possibile apportare numerose modifiche ottiche ed elettriche per migliorare i raccolti o ottenere determinati risultati con le fasi di crescita. Arrivare all’illuminazione perfetta non è semplice. I produttori di diodi a emissione di luce forniscono strumenti online per l’elaborazione di formule della luce, proprio per aiutare gli utenti.

Immagine 3. Il calcolatore per orticoltura di Würth fa parte dello strumento gratuito di progettazione online, Redexpert. (Immagine: screenshot fatto a ottobre 2021 dall’autore di questo articolo)

LIl calcolatore per orticoltura di Würth Elektronik fa parte dello strumento gratuito di progettazione online, Redexpert. Il calcolatore per orticoltura calcola formule personalizzate per l’utilizzo dei LED in orticoltura. Può acquisire informazioni come il numero di LED utilizzati e la corrente di ingresso per calcolare gli spettri completi, il flusso di fotoni fotosintetici (PPF) e i rapporti di colore della lunghezza d’onda.

Andando in supporto agli sviluppatori, Würth offre un “Kit di progettazione dell’illuminazione”. Si basa su un pannello LED per orticoltura con LED in Deep Blue, Hyper Red, Far Red e White e una potenza fino a 30 μmol/s.

Immagine 4. Kit di progettazione dell’illuminazione di Würth Elektronik (immagine: RS)

È anche possibile simulare scenari luminosi con lo strumento per orticoltura gratuito disponibile online da Osram OS.

Immagine 5. Strumento per orticoltura di Osram OS (immagine: screenshot fatto a ottobre 2021 dall’autore di questo articolo)

Osram ha sviluppato anche il sistema di illuminazione a LED per piante Phytofy RL per scopi di ricerca e sviluppo. Ricercatori e agricoltori possono utilizzarlo in laboratorio o nelle camere climatiche per sviluppare nuove formule di crescita e luce specifiche per le piante. Da queste formule si ricaveranno poi dati come qualità, quantità e ingredienti. Il sistema calibrato fornisce una mappa dell’irradiamento, che viene calcolato da un programma software senza bisogno di misurazioni. Gli utenti possono registrarsi per ricevere cinque formule della luce sviluppate da Osram. Il design (667 mm x 299 mm x 44 mm, poco meno di 9 kg) è perfetto per l’agricoltura verticale, i sistemi di scaffalature e le camere di crescita.

Breve glossario di orticoltura

• Luce rossa (630 - 660 nm): è una lunghezza d’onda importante per la fotosintesi ed è principalmente responsabile della crescita in lunghezza. La luce rossa influisce anche su fioritura, fase di riposo e germinazione.
• Luce blu (400 - 520 nm): è un’altra lunghezza d’onda importante per la fotosintesi, ma deve essere miscelata con altre lunghezze d’onda, perché troppo blu può inibire la crescita. Questa lunghezza d’onda influisce anche sulla concentrazione di clorofilla, favorendo la crescita delle gemme laterali e aumentando lo spessore delle foglie.
• Luce rosso scuro (720 - 740 nm): dallo spettro IR, influisce sulla germinazione, riduce il tempo impiegato dalle piante per fiorire e promuove la crescita in lunghezza.
• Luce UV (280 - 400 nm): è in fase di ricerca. Possono danneggiare le cellule, ma alcune piante (ad es. lattuga, pomodori) resistono a queste lunghezze d’onda, che, secondo alcuni studi, possono essere utilizzate anche per combattere i funghi. La luce UV può essere responsabile della formazione di antiossidanti e polifenoli, importanti per nutrire le piante.
• Lunghezza d’onda (λ, nm): indica la lunghezza d’onda della luce emessa dal LED.
• Radiazione fotosinteticamente attiva (PAR, _{400 nm –} 700 nm): la gamma di lunghezze d’onda della luce di cui le piante hanno bisogno per la fotosintesi. Questo numero a volte può essere fuorviante, poiché in questo intervallo tutte le lunghezze d’onda sono considerate ugualmente importanti per la fotosintesi, sebbene, come abbiamo visto sopra, il rosso e il blu siano i principali promotori della fotosintesi. In altre parole, le lunghezze d’onda di un LED verde possono rientrare nell’intervallo PAR, ma hanno solo un impatto molto limitato sulla crescita delle piante.
• Flusso di fotoni fotosintetici (PPF, μmol-s-1): indica la quantità totale di fotoni fotosinteticamente attivi prodotti al secondo dai LED. Sebbene a un ingegnere elettrico possa sembrare strano quantificare le prestazioni di una sorgente luminosa in base al numero di fotoni emessi, occorre ricordare che la fotosintesi è un processo biochimico quantificato dal numero di molecole di zucchero prodotte per numero di fotoni.
• Densità di flusso di fotoni fotosintetici (PPFD, μmol-m-2-s-1): indica la quantità totale di fotoni fotosinteticamente attivi che raggiungono la superficie monitorata al secondo. Questo parametro è fortemente dipendente dalla distanza e dall’angolo dalla fonte luminosa e solitamente viene misurato con un misuratore quantistico che risponde solo alle lunghezze d’onda PAR.
• Efficacia dei fotoni (μmol·J): indica l’efficienza del LED nel generare PPF per joule di energia elettrica utilizzata.
• Efficienza di conversione energetica (WPE, %): rapporto tra potenza elettrica e potenza ottica.
• Rapporto R-B: rapporto tra luce rossa e blu emessa dal sistema LED.