Introdução
As plantas adaptam constantemente seu crescimento e fisiologia para melhor corresponder às condições ambientais. A luz modula o crescimento das plantas ao longo do desenvolvimento, com efeitos na germinação das sementes, estabelecimento de plântulas, transição para o florescimento e adaptação às respostas ao estresse (Galvão e Fankhauser, 2015). As plantas são capazes de detectar e responder a uma ampla faixa do espectro, abrangendo desde as regiões UV-C (260 nm) até as regiões do vermelho distante (720 – 780 nm). Combinações de bandas de onda na mistura de luz incidente afetam o crescimento, desenvolvimento, metabolismo e morfologia das plantas (Folta e Carvalho, 2015).
As plantas possuem um conjunto de fotorreceptores ajustados para detectar bandas de ondas discretas no espectro ambiente. Os fitocromos normalmente detectam luz vermelha e vermelha escura, os cripto- cromos são ativados pela luz UV-A, azul e verde e as fototropinas respondem principalmente à luz azul (Galvão e Fankhauser, 2015). Existem sensores para responder ao UV-B (Jenkins, 2014), e papéis específicos da luz verde foram observados (Dhingra et al., 2006; Bouly et al., 2007). A estimulação de sensores de luz ativa as vias a jusante que moldam o crescimento, o desenvolvimento, a fisiologia, o metabolismo e o comportamento das plantas. Essas vias podem atuar independentemente ou mostrar interações sobrepostas, conferindo efeitos únicos, antagônicos ou sinérgicos de diferentes comprimentos de onda de luz na biologia das plantas (Folta e Carvalho, 2015).
A ativação de membros discretos da rede de entrada de luz permite o controle de características específicas de plantas em culturas hortícolas (Carvalho e Folta, 2014a). Por exemplo, a sombra das folhas diminui a proporção vermelho / vermelho distante e induz o alongamento das hastes e folhas com uma reorientação para cima (Fankhauser e Batschauer, 2016). O enriquecimento em comprimentos de onda verdes ou luz azul inadequada também causa sintomas de sombra (Vandenbussche et al., 2005; Wang e Folta, 2013). Ambientes enriquecidos com UV ou azul podem induzir o acúmulo de antocianinas e carotenóides (Li e Kubota, 2009). A luz azul pode controlar a estatura da planta limitando o alongamento do caule (Neff e Chory, 1998; Briggs e Huala, 1999) ou promovendo a expansão foliar (Wang et al., 2015). Todos esses exemplos mostram a oportunidade de controlar processos específicos em plantas com aplicação de qualidades de luz discretas. Tais manipulações podem ser realizadas usando luz com largura de banda estreita, como a produzida por fontes de luz baseadas em diodo emissor de luz (LED).
Além dos efeitos específicos do comprimento de onda na morfologia, desenvolvimento e crescimento, flutuações no espectro da luz ambiente podem ser usadas para alterar a qualidade sensorial de frutas e vegetais, principalmente modulando a prevalência de metabólitos voláteis específicos (Loughrin e Kasperbauer, 2003). Foi demonstrado que a luz afeta compostos voláteis em flores de petúnia, em frutas (como morango, mirtilo e tomate) e em folhas de chá (Colquhoun et al., 2013; Fu et al., 2015).
Este relatório detalha como tratamentos leves específicos podem afetar características relevantes das plantas, como aroma, no manjericão (Ociumum basilicum). O manjericão é uma cultura hortícola altamente valorizada que apresenta um perfil de aroma complexo. É um excelente sistema para testar a hipótese de que a qualidade espectral pode controlar os atributos sensoriais críticos das ervas e gerar novas perguntas sobre como amplos conjuntos de voláteis podem ser afetados por determinadas qualidades de luz.
No caso de tricomas eles exercem um papel extremamente importante para o vegetal, principalmente no que diz respeito à defesa. Os tricomas glandulares, por exemplo, eliminam substâncias repelentes ou que provocam irritação, evitando, assim, a herbivoria. Os tricomas tectores, por sua vez, realizam uma barreira mecânica contra os insetos, impedindo seu deslocamento.
A defesa contra herbivoria não é o único papel protetor dos tricomas, pois eles atuam ainda reduzindo a perda de água e refletindo a luz solar. Graças a essa capacidade, muitas plantas que vivem em ambientes secos possuem folhas com tricomas em grande quantidade.
Eficiência do espectro.
Vale frisar que a garantia de proteção não é a única função dos tricomas, haja vista que eles atuam ainda na reprodução e na “captura de alimento”.
Os tricomas glandulares podem produzir substâncias aromáticas que atraem os polinizadores, garantindo a fecundação. Além disso, tricomas glandulares são encontrados em plantas carnívoras, nas quais produzem substâncias viscosas que aprisionam alguns organismos e possuem enzimas que ajudam na digestão dos seres aprisionados.
Para ativação dos tricomas glandulares, responsáveis por substâncias aromáticas e acúmulo de moléculas de princípios ativos, inclusive canabinóides, a luz UVa e UVb é importante em quantidade reduzidíssima. Nas imagens abaixo temos uma comparação utilizando leds de alta potência em diversas freqüências (Cores).
Como mostrado acima, a mistura entre azul, vermelho com uma incidência de amarelo são as cores mais eficientes para a fotossíntese. Porém, como citado , o vermelho desencadeia floração, o ultra violeta, devidamente dosado, estimula tricomas e flavonóides. Abaixo uma excelente curva espectrográfica :
Um conjunto de led eficiente deve promover germinação forte, caules fortes e curtos na fase vegetativa, com uma boa cobertura, crescimento acelerado, boa floração e tricomas abundantes. Para isso é essencial poder variar a luminosidade (falando de modo genérico) dosar o espectro. Existem conjuntos de leds que fazem tudo isto através de leds que emitem a freqüência variando conforme desligamento e acionamento alternado dos leds individuais e também dosando a intensidade com regulagem dimerizada, simulando as estações naturais.
Equivalência entre tipos de iluminação para cultivo indoor.
Observações : * Módulos dimerizados utilizam 50% de potência em vegetativo
** Eficiência espectral multiplicar pela área. Ex. Se a eficiência é de 1 utilizar para 30x30 cm, se 2 utilizar em 60x60 , se 3 utilizar em 90x90 .Para sistemas com foco (lentes) utilizar x 2.
*** Sistemas HPS necessitam de resfriamento, calcular 30% a mais de gastos com Kw/h, também há efeito de superexposição.
Aproveitamento da eficiência dos leds pelo seu ângulo de iluminação.
Quando pensamos em LEDs, pensamos em uma lente de plástico transparente que é colocada em cima do próprio LED para focar ou espalhar a luz.
Se esse é seu pensamento, você foi otimista demais.
Vamos dar um passo atrás e olhar para o próprio LED. Vê aquela pequena cúpula protetora sobre o diodo? Na verdade, isso é chamado de óptica primária, que serve para proteger e modelar a saída do diodo pequeno. A luz da óptica primária dos LEDs ainda é muito ampla para a maioria das aplicações, sem intensidade à distância. É por isso que a maioria dos equipamentos de LED utiliza óptica secundária (lentes, refletores, etc.)
Para coletar toda essa luz e aumentar sua intensidade em direção ao alvo usamos lentes e refletores para LEDs o que é muito diferente do que apenas reduzi-los ao mesmo tipo de outras fontes de luz. Isso pode parecer uma maneira lógica de criá-los, pois os LEDs têm formatos muito menores do que outras fontes de luz, mas também diferem na maneira como emitem a luz. Como você pode ver pelas lâmpadas incandescentes, HPS, elas iluminam em 360 graus, mas os LEDs são direcionais, iluminando apenas 180 graus. Isso é atribuído ao design de um LED, que como você já sabe consiste numa matriz, montada em um material condutor de calor, com a óptica primária que envolve a matriz. Portanto, o ângulo máximo que os LEDs podem emitir é de 180 graus, pois o substrato está na parte traseira da matriz
A distribuição espacial típica é o que os fabricantes usam para descrever a luz proveniente da óptica primária de um LED. Isso basicamente significa a forma ou propagação da luz a partir do centro do diodo. Como falamos anteriormente, os LEDs estão voltados para uma direção, então imagine uma linha correndo diretamente do centro. A distribuição espacial é medida em graus a partir deste ponto central.
Vamos usar, por exemplo, um led típico, com 115 graus (a maioria dos leds acima de 3w até 250 w utilizam esta faixa), o que significa que o feixe se estenderá 57,5 graus em ambos os lados.
Só porque foi projetado para isso, não significa que você obtenha toda a saída do lúmen do LED em todo os pontos do angulo. A luz será mais forte quanto mais próximo você estiver do centro, como outros pontos de fontes de luz. Dê uma olhada no gráfico 'Distribuição espacial típica' do XP-G2 (um led CREE de boa qualidade), um gráfico como esse estará nas folhas de dados dos emissores, que podem ser encontradas em todas as páginas de produtos de LED no site.
Ao longo do eixo central, o LED emite 100% de sua intensidade luminosa relativa e perde intensidade quanto mais longe você se move do centro. Digamos que estamos analisando um led branco puro Cree a 350mA, sabemos pelas folhas de dados que, nesta corrente de acionamento, o LED emitirá 139 Lumens, sua saída nominal, no eixo central. A 30 graus do centro, a saída do LED cai para 125 Lumens. Descendo a curva de distribuição em 40 graus, a saída atinge apenas 111 Lumens. Isso continua a cair até que, a 57,5 graus, você obtém apenas metade da saída do lúmen a 70. É óbvio que, quando você perde tanta quantidade de luz no espectro, é necessária uma lente ou óptica secundária para intensificar a luz e usar a luz, brilho e eficiência dos LEDs em sua capacidade total.
Os LEDs precisam de foco!
Os LEDs de alta potência estão melhorando constantemente e se tornando opções inteligentes para uma ampla gama de aplicações.
Como dissemos acima, para muitas dessas aplicações, especialmente Grow indoor, o emissor e a óptica primária por si só não podem fornecer intensidade suficiente para a copa e folhagem.
Na realidade os leds emitem uma distribuição de luz lambertiana. Isso basicamente significa que o brilho para um observador é o mesmo, independentemente da posição do observador. Se você já viu um led acender diretamente, pode ver isso instantaneamente. Mesmo se você estiver longe, ainda poderá ver que a fonte de luz é extremamente brilhante, provavelmente incomodará seus olhos de olhar. O problema é que essa luz é lançada a esmo, sem nada aproveitando os raios.
A óptica secundária é usada para colimar os raios de luz em um feixe controlado que trará toda a intensidade para a área que você precisa. Os raios de luz colimados se espalham em paralelo, embora seja impossível tornar a luz perfeitamente paralela devido à difração e ao tamanho físico finito do emissor nu. É importante observar que quanto menor a fonte de luz (emissor), mais eficaz será o processo.
Ao descrever como uma certa lente ou óptica secundária pode colimar um feixe, geralmente observamos o ângulo de visão ou a largura máxima até a metade (FWHM).
FWHM é a largura angular do feixe quando a intensidade na borda é metade da intensidade no centro do feixe. Essa é uma maneira útil de classificar a ótica, mas não leva em consideração as diferenças entre determinadas plataformas ópticas (diodos de tamanhos diferentes). É bom saber que as ópticas com ângulos de visão idênticos podem diferir bastante em intensidade e qualidade do feixe, dependendo do design óptico dos emissores.
As ópticas secundárias não são feitas apenas para colimar a luz, às vezes são usadas para melhorar a uniformidade da cor e a distribuição da luz na área de destino. A escolha da óptica ou lente apropriada depende da aplicação.
Análise dos diversos dispositivos de foco utilizados em grow indoor.
Leds diretamente numa superfície*
Certamente a opção mais barata!XD , porém a que mais desperdiça luminosidade, necessita distância para a copa muito reduzida, e, necessariamente precisa de potências muito mais altas, logo um custo mais alto de energia, para realizar o mesmo trabalho de outras técnicas.
Conclusão : Fuja!
Refletores**
Os refletores são mais fáceis de implementar e custam muito menos para fabricar do que as ópticas lenticulares.
O quão bem eles coletam e colimam a luz depende de sua forma. Às vezes, eles também são usados com acabamentos diferentes para adicionar uma textura à luz ou difundi-la. Freqüentemente, o tamanho físico das fontes de luz limita as opções ópticas. Com matrizes ou emissores de chip-on board (COB), eles emitem uma área tão grande que a única solução real é cercá-los com um refletor.
Os refletores são usados na maioria das luzes incandescentes, mas com os LEDs há uma desvantagem importante
: a maioria dos raios de luz vindos do centro do emissor sai do sistema sem sequer tocar no refletor. Isso significa que, mesmo com um sistema reflexivo estreito, uma parte significativa da luz se afasta do alvo. Isso resulta na perda de saída de lúmen ou cria um brilho indesejado, um foco em pontos da copa que podem queimar, fazendo com que vc não consiga regular uma altura ideal, levando em conta necessidade e dano.
Conclusão : é uma opção barata, e pode servir como 'quebra-galho' .
Lentes Colimadas***
Geralmente é moldada por injeção a partir de polímeros, cristal ou vidro de alta qualidade e usa sua construção mecânica como um auto refletor.
Eles são tipicamente em forma de cone abaulado e podem ter eficiências muito altas ao refletir e controlar a propagação da luz dos LEDs. Elas normalmente funcionam para que a lente direcione a luz através de ângulos previamente escolhidos, seja estreito, largo, seja qual for a sua escolha.
Há uma superioridade na forma de fixação, que auxilia na dissipação de calor dos substratos, outras formas de luz irradiam calor para fora, enquanto os LEDs enviam calor para fora de sua base, o que permite que essas lentes se ajustem perfeitamente e envolvam totalmente o topo abobadado.
Isso permite muito mais controle, pois eles iluminam e controlam literalmente diretamente da fonte de luz, o foco auxilia a evitar a refração lateral, deixando o observador mais confortável.
Conclusão: é a opção atual mais vantajosa, em termos de aproveitamento de luz, custo a longo prazo.
Outras tecnologias:Lentes Tir.
A óptica de reflexão interna total (TIR), geralmente é moldada por injeção a partir de polímeros e usa uma lente refrativa dentro de um refletor.
Eles são tipicamente em forma de cone e podem ter eficiências muito altas ao refletir e controlar a propagação da luz dos LEDs. Eles normalmente funcionam para que a lente direcione a luz do modo como a TIR LED opera o centro do emissor para o refletor, que a envia em um feixe colimado e controlado, seja estreito, largo, seja qual for a sua escolha.
Há uma superfície adicional sobre a montagem que oferece mais oportunidades para modificar a luz.
Esses tratamentos de superfície (ondulação, fosco, polido etc.) difundem a luz, ampliam o feixe ou moldam a distribuição.
TIR realmente funciona bem com LEDs, pois eles aproveitam as características dos emissores.
Outras formas de luz irradiam calor para fora, enquanto os LEDs enviam calor para fora de sua base, o que permite que essas ópticas TIR se ajustem perfeitamente e envolvam totalmente o topo abobadado. Isso permite muito mais controle, pois eles iluminam e controlam literalmente diretamente da fonte de luz.
A TIR é muito usada em iluminação externa e também deu grandes passos em aplicações internas.
Eles são ideais para controle de feixe estreito, mas não funcionam tão bem quando a ênfase está na luz difusa e no brilho intenso.
Uma das desvantagens está nos leds de alta potência, na falta de lentes específicas para a faixa entre 20 a 250 watts, e nos materiais utilizados , sendo mais aconselhável vidro ou cristal.
Conclusão: necessita um melhor desenvolvimento poderá ser uma excelente opção.