Вчені працюють над розвитком технології вирощування овочів, Новини сибірської науки
У роки бурхливого гідробудівництва на території Східного Сибіру виник цікавий проект з вирощування помідорів у приміщеннях Іркутської ГЕС, що не використовуються.
Сонце їм мали замінити лампи розжарювання - здатність рослин до фотосинтезу при штучному освітленні було відкрито ще ХІХ столітті. На станції ідею не реалізували в силу технічних обмежень, але за радянських часів за багатьох об'єктів енергетики Іркутської області було створено тепличні господарства. З приходом ринкової економіки постало питання їх доцільності - традиційні енергоємні технології вимагали чималих фінансових витрат. Однак з появою світлодіодів вирощування овочів та зелені під штучним світлом у закритих приміщеннях знову виглядає дуже привабливо. Настільки привабливо, що на нього роблять ставку у вирішенні питання про автономне існування в умовах космосу.
Спогади очевидця
Його робота отримала продовження - про використання штучного світла для вирощування рослин у теплицях писав, наприклад, Климент Тимірязєв, а в п'ятдесяті роки минулого століття, вже за часів Радянського Союзу, вийшла відповідна книга керівника лабораторії світлофізіології та світлокультури Агрофізичного НДІ Бориса Мошова один раз. "Дослідами професора Мошкова показано, що з квадратного метра площі стелажу теплиці за 60 днів можна отримати по 15-18 кг першокласних плодів томатів, - продовжував Реймерс. - У рік це становить уже 900-1000 кг. Витрата електроенергії на 1 кг зрілих помічників. 250-270 кВт-год".
Гідропоніка на гідростанції
Йдеться фактично про гідропоніку, тобто вирощування рослин без ґрунту, але на штучних середовищах.Технологія, якщо вдаватися до деталей, досить проста. Як ґрунт використовується гравійна основа з розчином поживних солей: замість звичного на ті часи керамзиту передбачалося використовувати перліт. Спучене вулканічне скло за основними характеристиками виявилося кращим за продукт, що отримується при випалюванні легкоплавких глин - його об'ємна вага в 2-2,5 рази менша, а пористість значно вища. "Рослини на перліті почуваються чудово, - підкреслював Реймерс. - У лабораторії фізіології рослин Східно-Сибірського біологічного інституту виробляли багаторазові пересадки томатів. Рослини просто висмикували "за голову" з однієї судини з перлітом і переносили в маленьку ямку в перліт. цьому рослина почувається так, ніби її і не пересаджували".
Вирощувати помідори на Іркутській ГЕС передбачалося у встановлених на багатоярусних стелажах коритах з модрини - деревини, стійкою до загнивання. Зсередини вони були вкриті двоміліметровим шаром вінілпасту та на 30 см засипані перлітом. Всі корита при цьому з'єднані з баками, наповненими концентрованим розчином мінеральних добрив, та ємностями з водою – щоб його розбавляти. Джерело освітлення – лампи розжарювання потужністю 30 Вт, об'єднані у групи по 20 штук. Для захисту від теплового випромінювання передбачений фільтр - залізна рама з дном зі скла товщиною 6 мм, яким безперервним потоком йде вода. Нижню частину кожної лампи опускають у рідину, температура якої не перевищує 35-40 градусів за Цельсієм. Джерело штучного освітлення разом із екраном підвішене до стелі. Світло включають на 14 годин на добу, 10 годин, що залишилися, відведені на "відпочинок" рослин. "Цей світловий ритм забезпечує найбільш швидке зростання та розвиток томатів, - пояснював Реймерс. -Світло вмикається та вимикається автоматично за допомогою програмного пристрою. Синхронно відбувається циркуляція поживних розчинів. Завдяки механізації та автоматизації процесів вирощування у всьому приміщенні працюватиме лише черговий”.
Вибір між синім та червоним
Насправді проект, привабливо що у теорії, реалізувати виявилося неможливо. Проте сама ідея розміщення теплиць на об'єктах енергетики в Іркутській області була втілена в життя. "Підсобне господарство було на Ново-Іркутській ТЕЦ, у Південних електричних мережах, в Ангарську було чимало таких об'єктів, – розповідає завідувач лабораторії продуктивності рослин СІФІБР СО РАН Олександр Рудиковський. – Тому не можна сказати, що проект з вирощування томатів на електростанції не відбувся – він відбувся, але в іншому вигляді. На основі сучасних, на той момент, технологій. Прогрес за останні сорок-п'ятдесят років пішов далеко вперед, але ключову роль у відмові від подібних непрофільних активів зіграло економічне середовище, що змінилося: якщо в радянські часи енергетики могли використовувати електрику за собівартістю, то через реформу галузі витрати на власні потреби електростанцій оплачуються за цінам. Тому, до речі, тепличні господарства іноді фігурують у списках споживачів-боржників.
Проте сучасні технології енергозбереження знову дозволяють говорити про економічну доцільність таких проектів. Йдеться не тільки про опалювальні прилади, а й про світлодіодне освітлення, яке дає зіставний з лампами розжарювання світловий потік при вдесятеро меншому споживанні електрики. "Це революційна технологія, тому що за допомогою світлодіодів можна добиватися вузького спектру випромінювання, невеликого діапазону світловиххвиль", - зазначає вчений. Закони біології незаперечні: за поглинання світла у рослин відповідають спеціальні пігменти - хлорофіли a і b, а також каротиноїди. Хлорофіли, у свою чергу, поглинають випромінювання синьої та червоної частин спектру. хвилі в діапазонах 428,5-430 і 452,5-455 нм, у другій - 660-662 та 642-649 нм.
Застосування світлодіодів, максимуми випромінювання яких збігаються з такими хлорофілами і каротиноїдами, посилюють фотосинтетичні процеси. Економія електроенергії в даному випадку досягається за рахунок того, що вона не витрачається на випромінювання світла, що не використовується в процесі фотосинтезу - ультрафіолету, жовто-жовтогарячого, далекого червоного та інфрачервоного. З іншого боку, рослини повністю залежать від фотосинтезу, тому для регуляції процесів розвитку вони мають правильно оцінювати кількість та якість світла. За це відповідає особливий пігмент - фітохром, що поглинає червону область світла, що падає. На підставі сигналів, що надходять від фітохромної системи, рослина приймає глобальні рішення: готуватися до фотосинтезу або всі запаси органічних речовин пустити на зріст, приступити до цвітіння або листопаду, чи змінити стратегію росту, проростати насіння або дочекатися сприятливіших умов освітлення.
Ультрафіолетове та блакитне світло поглинається та оцінюється іншим пігментом - криптохромом, який також дуже впливає на розвиток рослин та їх фізіологічні функції. Зокрема збільшення частки блакитного світла зменшує зростання стебел і може придушити цвітіння. Маючи такий чудовий та тонкий інструмент, як світлодіоди з різними спектрами, вже зараз можна впливати на фітохром та криптохром та регулювати розвиток рослин, зменшувати чи посилювати зростання, підвищувати їхпродуктивність.
Експерименти, які беруть свій початок ще за часів Тимірязєва, показують, що оптимальним є таке співвідношення: половина енергії за спектром припадає на червону область, 30% - на синю, 20% - на зелену. В цьому випадку можна отримувати вищі, ніж при звичайному освітленні, врожаї, причому на це йтиме в півтора-два рази менше часу. "Але для кожного виду рослин потрібно розробляти свою технологію, - додає Олександр Вікторович. - Загальна думка зводиться до співвідношення "три до одного": на три червоні світлодіоди повинен бути один синій. Для різних видів рослин воно може бути різним: для огірків одне, для помідорів – інше”. Причому це співвідношення відрізняється навіть у разі молодої або плодоносної рослини.
Розповідаючи про це, вчений демонструє світлодіодний світильник, який, незважаючи на свою масивність, споживає лише 140 ватів. Світловий потік від нього можна оцінити хіба що на око, але навіть така оцінка вражає: коли, від'єднавши запрограмований на певний час роботи та обмежену яскравість контролер, він розгортає лампу, виникає відчуття, ніби тебе засліпила далеким світлом машина, що їде зустрічною смугою. Тільки якщо примружитись і почекати кілька миттєвостей, можна розрізнити, що потужні діоди світять синім, червоним та білим. "За допомогою контролера можна змінювати кількість того чи іншого кольору, - пояснює Рудиковський. - Ми також контролюватимемо температурний та вологий режим, тривалість періоду освітлення. Це теж дуже важливо: є довгоденні рослини, які цвітуть при тривалому світловому дні, а є короткоденні. Якщо, припустимо, ви навесні посадите редьку або дайкон, то восени нічого не отримаєте - вона піде в так звану квітуху.рослинами".
Просто космос
За кордоном, причому не так далеко від кордонів України, пішли ще далі: на початку 2012 року в Україні запрацював перший у світі промисловий парник зі світлодіодним освітленням. На Уманському тепличному комбінаті встановили 1230 діодних модулів та 870 натрієвих світильників компанії Philips, розгорнутих на площі 60 соток. Цьому передували пілотні проекти в Голландії та в Україні, які показали, що при використанні світлодіодів як додаткове освітлення можна досягти врожайності томатів до 73 кг з квадратного метра на рік. А проведені в Уманському тепличному комбінаті дослідження показали, що можна досягти збільшення врожаю на 15% на рік. Аналогічні технології розробляють, наприклад, у Японії та інших країнах із не найтеплішим кліматом.