LED per illuminare colture nello spazio

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LED per illuminare colture nello spazio

Lampade di crescita a LED per il supporto vitale nello spazio Per capire le dinamiche di funzionamento delle lampade a LED nella crescita delle piante si possono cercare utili informazioni negli studi effettuati dalla NASA sui supporti vitali avanzati per gli astronauti.

Il progetto di lunghi viaggi spaziali, come quello per portare l'uomo su Marte, si scontra con la necessità di garantire all'equipaggio cibo ed aria fresca durante la permanenza nello spazio.

Le tradizionali lampade di crescita non sono un'opzione praticabile, visto l'elevato consumo di energia ed il calore emesso. Per questo motivo la ricerca di soluzioni alternative è orientata sempre di più verso sistemi che utilizzano pannelli a LED, che presentano notevoli vantaggi come efficienza energetica, spettro di emissione stabile, maggiore sicurezza, bassa emissione di calore, durata più lunga, piccole dimensioni.

Ho trovato del materiale molto interessante negli archivi della "American Society for Gravitational and Space Biology" ed in particolare in queste 2 pubblicazioni da cui ho tratto la maggior parte delle informazioni di questo articolo:

"DEVELOPMENT AND TESTING OF AN EFFICIENT LED INTRACANOPY LIGHTING DESIGN FOR MINIMIZING EQUIVALENT SYSTEM MASS IN AN ADVANCED LIFE-SUPPORT SYSTEM." del 2005 (Gioia D Massa, Jeffrey C Emmerich, M E Mick, R J Kennedy, Robert C Morrow, Cary A Mitchell)
"PLANT-GROWTH LIGHTING FOR SPACE LIFE SUPPORT: A REVIEW" del 2006 (Gioia D Massa, Jeffrey C Emmerich, Robert C Morrow, C Mike Bourget, Cary A Mitchell)

Il programma "Advanced Life Support" (ASL) della NASA tratta anche lo sviluppo di colture per la produzione di cibo, in supporto alla vita umana in ambiente extraterrestre.
Per i motivi precedentemente descritti i LED si sono dimostrati la scelta ideale per l'illuminazione di camere di crescita, se rapportati con gli altri tipi di lampade. In particolare i LED rossi con una lunghezza d'onda di 640 nm si sono rivelati i più efficienti, in quanto la loro luce contribuisce per circa il 96% del processo di fotosintesi clorofilliana. Gli esperimenti hanno dimostrato che diverse specie vegetali possono essere coltivate con successo con la luce dei LED, fra cui gli spinaci, la lattuga, il radicchio, il frumento e le patate. In generale, per una normale crescita, è richiesto anche il 15% di LED blu a 440 nm, che permette di equiparare la resa ottenuta, con colture cresciute con luce bianca.
Alcune ricerche hanno dimostrato la necessità di un'intensa luce blu nella fase iniziale di crescita per ridurre l' allungamento dell'ipocotile. E' stato provato che anche una percentuale di luce verde può avere effetti benefici sulla crescita.
Lo "Specialized Center of Research and Trainingin Advanced Life Support (ALS NSCORT)" della NASA in collaborazione con "Orbital Technologies Corporation (ORBITEC)" hanno sviluppato un array riconfigurabile di pannelli a LED in grado di ridurre l'energia richiesta per crescere piante con luci elettriche.

Ogni pannello di LED è un quadrato di 6,25 cm² composto da 100 LED cosi suddivisi:

64 LED rossi a 640 nm
16 LED blu a 440 nm
20 LED verdi a 540 nm + 2 fotodiodi

Le ridotte dimensioni del pannello e la vicinanza dei LED permettono di ottenere uno spettro emesso uniforme.
Dato che la corrente del circuito è controllata separatamente per ogni colore, sia il rapporto rossi/blu, che la loro intensità, possono essere modificati continuamente.
20 pannelli di questi pannelli a LED sono montati su un supporto lineare (array) lungo circa 65 cm. In cima ad esso è collocata una scatola elettrica che contiene 2 ventilatori utilizzati per aspirare l'aria dal basso verso l'alto del supporto. Questo metodo di rafreddamento permette alle piante di crescere vicino alla fonte di luce senza bruciarsi.
Singolo array di pannelli LED
Immagine tratta dalla pubblicazione "DEVELOPMENT AND TESTING OF AN EFFICIENT LED INTRACANOPY LIGHTING DESIGN FOR MINIMIZING EQUIVALENT SYSTEM MASS IN AN ADVANCED LIFE-SUPPORT SYSTEM."

Come si può dedurre dalle pubblicazioni e dal disegno tecnico sopra riportato le dimensioni dei LED utilizzati sono estremamente piccole: i LED rossi sono disposti su 4 file da 16 LED e, se il lato del circuito stampato su cui sono montati misura 2,54cm di lato, il diametro di ogni singolo LED non supera 1,5 millimetri.

L' array di pannelli LED generalmente è disposto verticalmente nella camera di crescita ed è predisposto in modo che i singoli pannelli possano essere accesi in sequenza iniziando con i pannelli bassi in modo da seguire la crescita verticale della pianta. In questo modo non viene sprecata energia, sopratutto nella fase iniziale di crescita in cui la pianta è di dimensioni ridotte, consentendo di accendere con il giusto livello di potenza solo i pannelli che servono per illuminare le foglie. Intracanopy LED lightsicle array with LEDs off.
I fotodiodi montati su ogni pannello hanno lo scopo di rilevare la prossimità di elementi verdi (la pianta) in modo da poter gestire automaticamente l'accensione dei LED quando delle foglie sono posizionate davanti ad essi.

In alternativa alla configurazione verticale, gli array di pannelli possono essere anche disposti orizzontalmente uno accanto all'altro sopra le piante, formando cosi un unico grande pannello che fa da tetto alla camera di crescita. Questa disposizione dei pannelli è l'ideale per illuminare la lattuga e il frumento nano. Non è però consigliabile per piante che si sviluppano in verticale come i fagioli, perchè è stato osservato che queste piante tendono a crescere molto nella parte alta dellla camera di crescita, vicino ai pannelli LED, producendo un raccolto minore rispetto all'utilizzo degli stessi array di LED disposti in verticale ed alimentati con lo stesso quantitativo di energia.

Spero che tutte queste informazioni possano allontanare ogni dubbio sulla reale efficacia delle lampade di crescita a LED ed essere di aiuto a chi, come me, ha intenzione costruirle e di sperimentarle in coltivazioni indoor.

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Tag: Coltivazione, elettricità, fotosintesi, lampade di crescita, LED, orto, risparmio energetico, sole, spazio Lascia un commento

Commenti (7) Trackback (2) iscriviti ai commenti di questo post

Hydro Closet
marzo 5th, 2010 - 15:51

Really great article – I was heading for a similar article which I will probably still take a shot at, but from a slightly different angle. Thanks for sharing this with your readers…Obviously a lot of others appreciate it too!

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Major Wolcott
marzo 30th, 2010 - 20:55

I recently started making my own solar panels – I used some video guides I discovered and it’s working out great!

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Franky-CH
giugno 14th, 2010 - 20:20

La questione delle luci led é molto interessante e da qualche mese nei ritagli di tempo ho iniziato a costruire delle luci sperimentali a led rosse e blu; l’idea é quella di ottenere luci a basso consumo energetico, efficienti, durature e soprattutto che nn sviluppino calore.

Reperire le informazioni é la cosa più complicata quindi vado un po’ a tentativi, per iniziare sto assemblando 2 lampade sperimentali composte ognuna da 7 led rossi potenza 1w, spettro ~450 nm, 20 lm, di questo tipo http://www.led1.de/shop/product_info.php?=&pName=winger-wepdr1s1-power-led-star-deep-red-650nm-1w-25lm-p-1434 e 2 blu 1w, spettro ~650nm, 25 lm (montate su struttura d’alluminio con funzione di dissipatore di calore)

Leggendo questo articolo vedo che, per quanto concerne la necessità di luce necessaria alla fotosintesi dela pianta ed alla relativa crescita e scviluppo, anche l’aggiunte di uno spettro verde + fotodiodi sarebbero utili, anzi comporrebbero la combinazione ottimale.

Ma la mia DOMANDA é questa:

secondo te per ogni metro quadrato di superficie quanto é la necessità di lumen totali necessari rispettivamente suddiviso nei vari spettri rosso/blu/ verde?/fotodoidi? alfine di poter coltivare piante indoor che sviluppino un’altezza di ca. ml 1.20 / 1.50 fiorite finale?

Ho letto che se ai led da alta potenza viene applicato un particolare specchio riflettente, l’intensità dei lumen viene deviata, concentrata e quindi moltiplicata, é vero?

Complimenti per il sito e tutte le informazioni rilasciate.

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- Igor
  giugno 14th, 2010 - 21:41
  
  I fotodiodi ti servono se vuoi realizzare una serie di luci si illuminano parzialmente seguendo la crescita della pianta: si accendono solo i gruppi di led vicini alle foglie.
  Forse, per iniziare, lascerei perdere un sistema cosi complesso.
  Per le luci verdi non ho dati precisi, ho riportato quanto utilizzato per un progetto di studio (vedi allegati al post), ma andrebbe tutto sperimentato, sicuramente ti servono LED blu e rossi.
  Se stai costruendo delle lampade sperimentali forse potrebbe essere un’idea dotare i gruppi di LED di un regolatore di luminosità in modo da sperimentare varie combinazioni, ad esempio i LED blu potrebbero essere impostati con alta intesità luminosa in fase di crescita che va poi diminuita quando la pianta fiorisce aumentando il rosso. Un regolatore di luminosità per LED di potenza pùo essere acquistato o costruito con spesa contenuta: invece che variare l’intesità di corrente del circuito un’ottima tecnica è variare la frequenza di accensione/spegnimento dei LED.
  E’ impossibile moltiplicare l’intensità con specchi o superfici bianche, al limite possono essere utili per distribuire meglio la luce senza disperderla: puoi disporre delle pareti bianche che circondano la coltivazione.
  Puoi trovare ulteriori informazioni nei commenti dell’altro articolo pubblicato sui LED
  
  Sono interessato ai tuoi esperimenti, se vuoi mandami pure informazioni e foto, in modo da poter condividere l’esperienza sul sito, può essere di aiuto ad altri che vogliono costruire una lampada di crescita a LED.
  
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Franky-CH
giugno 20th, 2010 - 12:06

L’argomento é tutto da sperimentare, quindi proseguirò nei miei test anche se ci vorrà ancora parecchio tempo per poter verificare i primi risultati.
Per quanto riguarda i led blu penso che ci metterò un regolatore di intensità così da poterla variare secondo le necessità.

Per quanto concerne “moltiplicare l’intensità” della luce ho preso nota di quanto diffuso dal venditore di questo prodotto, si tratta di calotte riflettenti e ti chiedo se secondo te ha senso applicarle ad un impianto di illunimazione led oppure no.
http://www.xled.it/prodotti/accessori/#ar03
http://www.xled.it/prodotti/accessori/20-6/1.htm

Al seguente link
http://www.icmag.com/ic/showthread.php?t=154900
pubblica invece un’interessante discussione su un test di crescita eseguito con la famosa ufo-lampada led
http://www.giardinaggioindoor.it/2008/05/07/ufo-led-e-il-futuro-dellilluminazione-indoor/
quindi sembrerebbe che la crescita di piante di canapa sia possibile con questa tecnica anche la questione é sempre la solità: quanta luce led rossa (la requenza ideale sembra 630 / 660 nm) serve per metro quadrato? qui la conclusione sembra che ci vogliano 180 watt di led rossi/blu in poroporzioni 7 a 2, per m/2…

Qui segnalo un interessante sito che illustra la costruzione di un impianto led (per acquari, ma il principio é il medesimo) e che potrebbe essere d’aiuto/stimolo per chi volesse cimentarsi in questi esperimenti:

http://scriptors.ilbello.com/illuminazione-a-led/index.html

mentre il mio impianto verrà documentato su un sito che sto elaborando, ma purtoppo ho poco tempo disponibiule quindi i tempi nn saranno dei più brevi :-|

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marco
luglio 19th, 2010 - 17:12

Qualcuno saprebbe dirmi perchè in percentuale è necessaria più luce rossa che blu per illuminare correttamente una pianta? Sto svolvendo una tesi sugli OLED e l’applicazione progettuale sarà probabilmente nella botanica, solo che a questa domanda non trovo momentaneamente risposta… Grazie

( RISPONDI )
Tina
novembre 17th, 2010 - 03:07

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