ES2909626T3 - Método y aparato para la estimulación del crecimiento y desarrollo de plantas con luces visible e infrarroja cercana - Google Patents
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Abstract
Un método para la estimulación del crecimiento de las plantas, cuyo método comprende iluminar simultáneamente las plantas con luz infrarroja cercana y luz blanca emitida por uno o más elementos LED, caracterizado porque la salida radiante en los elementos LED con radiación infrarroja cercana (NIR) varía de 840 nm a 960 nm, y en el que la salida radiante de los elementos LED de infrarrojo cercano está entre el 5 y el 25 % de la salida radiante total.
Description
DESCRIPCIÓN
Método y aparato para la estimulación del crecimiento y desarrollo de plantas con luces visible e infrarroja cercana Esta invención se relaciona generalmente con proporcionar luz de crecimiento para plantas agrícolas y hortícolas. Más específicamente, la invención se relaciona con un método para la estimulación del crecimiento de plantas y un dispositivo para la estimulación del crecimiento de plantas mediante la iluminación de plantas usando NIR.
Antecedentes
La luz infrarroja es una luz "negra" invisible y forma parte del espectro de la luz solar. La luz infrarroja se encuentra entre las porciones visible y de microondas del espectro electromagnético. La luz infrarroja tiene un rango de longitudes de onda, al igual que la luz visible tiene longitudes de onda que van desde la luz roja hasta la violeta. La luz infrarroja puede dividirse en regiones del 'infrarrojo cercano' e 'infrarrojo lejano'. La luz "infrarroja cercana" es la más cercana en longitud de onda a la luz visible y la "infrarroja lejana" está más cerca de la región de microondas del espectro electromagnético. La luz infrarroja cercana consiste en luz un poco más allá de la luz roja visible en la región de longitud de onda de 750 nm a 1400 nm. Las ondas infrarrojas lejanas son térmicas, mientras que las ondas infrarrojas cercanas no lo son. En otras palabras, experimentamos radiación infrarroja todos los días en forma de calor. Las personas, los animales y muchas cosas sin vida emiten luz infrarroja: la Tierra, el Sol y los objetos lejanos como las estrellas y las galaxias también lo hacen. Sin embargo, la importancia de la radiación infrarroja cercana (NIR) en el planeta sigue siendo un misterio incluso para los científicos hasta ahora.
A lo largo de casi dos décadas, el inventor ha ido desarrollando la teoría y la práctica de la aplicación de la luz infrarroja en diferentes áreas de la biología, la agricultura, la producción de alimentos y el almacenamiento de productos perecederos. Su trabajo reciente abre una nueva visión para comprender los efectos de la NIR en los organismos vivos. Ahora está quedando claro que la NIR es un mensajero para algunos procesos de información importantes en plantas y animales.
La NIR afecta al bioorganismo en diferentes niveles. El impacto electromagnético de las influencias de la NIR a nivel de tejidos y órganos provoca los siguientes efectos:
1. Disparador de receptor de luz infrarroja desconocido y su cadena de transducción;
2. Afluencia de iones en las células;
3. Aumento de la tasa de respiración;
4. Cambio de los niveles de fitohormonas; y
5. Expresión genética alterada: metabolismo, crecimiento y otros macroefectos.
La NIR funciona a nivel cuántico (afecta el nivel atómico y molecular) así como a nivel de células y tejidos en las plantas.
Se sabe que el uso de luz infrarroja cercana mejora la germinación de semillas. Patente del Reino Unido GB 2303 533 describe el tratamiento de semillas con luz infrarroja cercana opcionalmente en combinación con luz roja. Normalmente, el tratamiento de semillas con longitudes de onda que oscilan entre 800 y 1000 nm mejoró la germinación de semillas de varias especies de plantas hortícolas. Además, el vigor de las plántulas mejoró cuando las semillas se iluminaron con la NIR. La duración típica de la iluminación fue de 1 a 10 minutos.
También se ha demostrado que la iluminación de plántulas de Avena con NIR de 935 nm o 880 nm continuamente durante 120 horas desde la siembra tiene un efecto en el desarrollo de la planta (CF Johnson et. al.; Photochem. Photobiol. 1996, 63(2): 238-242). Las plántulas cultivadas en presencia de radiación de 880 nm eran más cortas y tenían un porcentaje más bajo de tejido mesocotilo en comparación con las plántulas cultivadas en la oscuridad (sin radiación), mientras que las plántulas cultivadas a 935 nm tenían menos tejido mesocotilo y más tejido coleoptilo que las cultivadas sin radiación.
En consecuencia, parece que la luz infrarroja cercana puede tener un papel activo en el desarrollo de las plantas, incluso si se ha postulado que debido a que el infrarrojo cercano está fuera de las regiones visible y roja lejana del espectro electromagnético, no tendría efectos sobre las plantas. De hecho, se ha propuesto que la luz infrarroja cercana es dañina para las plantas (JP 2011000012) y, por lo tanto, por ejemplo, la solicitud de patente japonesa JP 2011000012 describe un sistema de iluminación en el que la porción del infrarrojo cercano del espectro se dirige específicamente lejos de las plantas.
El documento US 2010/020536 A1 describe un sistema de iluminación que comprende una primera matriz de LED con una pluralidad de submatrices de LED, y una pluralidad de entradas acopladas operativamente a una submatriz de LED correspondiente a través de un controlador. El documento US 2013/107512 A1 describe una luz LED para plantas que comprende un reflector óptico, un iluminante LED y un difusor ensamblado en la parte inferior del reflector óptico. El documento US 8 738 160 B2 describe un método y un aparato para la manipulación del
metabolismo de formas de vida usando salida espectral que comprende al menos una matriz de fuentes de luz LED que tienen emisiones espectrales de manipulación metabólica.
La luz infrarroja cercana no afecta significativamente la temperatura de los tejidos de las plantas, por lo que no existe una relación directa entre la temperatura y los efectos de la NIR en las plantas. La vegetación saludable absorbe la energía de la luz azul y la luz roja para impulsar la fotosíntesis y crear clorofila. Una planta con más clorofila reflejará más energía infrarroja cercana que una planta enferma. Por lo tanto, analizar el espectro de absorción y reflexión de una planta en longitudes de onda visibles e infrarrojas puede proporcionar información sobre la salud y la productividad de la planta.
En consecuencia, el papel de la luz infrarroja cercana en el crecimiento y desarrollo de las plantas no está claro, incluso si hay indicaciones que muestran que la luz infrarroja cercana puede tener efectos en el crecimiento y desarrollo de las plantas. Muchas partes creen que la NIR podría inhibir el crecimiento de las plantas; esto es contrario a los hallazgos sorprendentes de esta descripción. En consecuencia, la luz infrarroja cercana no se usa en los sistemas de iluminación para el crecimiento de las plantas comerciales. Además, no se ha probado la combinación de luz visible y luz infrarroja cercana. Tampoco se ha considerado la iluminación NIR continua como una opción, quizás en parte debido a la noción aceptada de que es 'inútil' o incluso 'dañina'.
El cultivo de plantas comerciales en invernaderos es una importante actividad industrial del mundo actual. La producción durante todo el año de hortalizas, frutas y flores es un estándar esperado. También la producción local es una tendencia muy apreciada hoy en día. En consecuencia, se ha vuelto necesario producir plantas en invernaderos y bajo luz artificial para satisfacer a los consumidores. Dado que los costos de la energía son altos, los productores esperan naturalmente cualquier solución que aumente la producción sin comprometer la calidad. Por estas razones, existe una necesidad continua de sistemas de iluminación para mejorar la productividad y la salud de las plantas.
Esta invención proporciona métodos y dispositivos para aumentar la producción de plantas en invernaderos y en otros entornos de edificios iluminados artificialmente.
Resumen
En general, esta descripción resuelve los problemas descritos anteriormente y otros no establecidos explícitamente mediante el uso del método y el dispositivo descritos en este documento.
El primer objeto de la presente invención es un método para la estimulación del crecimiento de plantas. Los pasos característicos de dicho método se representan en la reivindicación 1.
El segundo objeto de la presente invención es un dispositivo para la estimulación del crecimiento de plantas mediante la iluminación de plantas usando NIR. Los rasgos característicos de dicho dispositivo se representan en la reivindicación 7.
Además, un objeto de esta descripción es proporcionar un método para la estimulación del crecimiento y la producción de plantas, cuyo método comprende iluminar las plantas con luz infrarroja cercana a partir de uno o más elementos LED/OLED (diodos orgánicos emisores de luz) u otras tecnologías de generación de luz, con radiación infrarroja cercana (NIR) en un rango de 840 nm a 960 nm.
Es otro objeto de esta descripción proporcionar un método para la estimulación del crecimiento y la producción de plantas, cuyo método comprende iluminar las plantas con radiación infrarroja cercana (NIR) de uno o más elementos LED, con longitudes de onda de luz infrarroja cercana que van desde 840 nm a 960 nm preferentemente durante al menos 2 horas por día, más preferentemente en ciclos de 8, 12 o 16 horas. También es posible la iluminación NIR continua.
Otro objeto más de esta descripción es proporcionar un método para la estimulación del crecimiento y la producción de plantas, cuyo método comprende iluminar las plantas con luz infrarroja cercana de uno o más elementos LED e iluminación simultánea con radiación fotosintéticamente activa (PAR) y, opcionalmente, una combinación de varias longitudes de onda seleccionadas del espectro de luz blanca de 380 nm-700 nm emitida por uno o más elementos LED.
Todavía otro objeto de esta descripción es proporcionar un método para la estimulación del crecimiento y la producción de plantas, cuyo método comprende iluminar las plantas con luz infrarroja cercana de uno o más elementos LED con luz infrarroja cercana en un rango de 840 a 960 nm, e iluminación simultánea con una combinación de luz blanca cálida (3000-3500K) y luz blanca fría o luz diurna (5000-7000K) del rango de longitudes de onda de 400 nm-700 nm.
Otro objeto de esta descripción es proporcionar un método para la estimulación del crecimiento y la producción de plantas, cuyo método comprende iluminación con infrarrojo cercano y combinaciones seleccionadas de longitudes
de onda del espectro de luz blanca, como 380 nm, 450 nm, 600 nm y 660 nm, en el que la salida radiante de los elementos LED de infrarrojo cercano es al menos el 5 % de la salida radiante total.
Otro objeto más de esta descripción es proporcionar un método para la estimulación del crecimiento y la producción de plantas, cuyo método comprende iluminación con infrarrojo cercano y combinaciones seleccionadas de longitudes de onda del espectro de luz blanca, en el que la salida radiante de los elementos LED de infrarrojo cercano es al menos el 5 % de la salida radiante total, y la selección de longitudes de onda es una combinación de colores UV-A, UV-B, violeta, azul, verde, naranja y rojo del rango de longitudes de onda de 400 nm a 700 nm.
Otro objeto más de esta descripción es proporcionar un método y un dispositivo para mejorar la propagación de plantas in vitro al iluminar las explantas transferidas en medio de cultivo con una combinación de infrarrojo cercano y combinaciones seleccionadas de longitudes de onda del espectro de luz blanca como 450 nm, 660 nm y 730 nm. Puede añadirse luz UV A y/o UV B a la combinación.
Otro objeto de esta descripción es proporcionar un método y un dispositivo para mejorar, estimular y prolongar la floración de las plantas mediante la iluminación de las plantas con una combinación de infrarrojo cercano y longitudes de onda seleccionadas del espectro de luz blanca.
Todavía otro objeto de esta descripción es proporcionar un método y un dispositivo para la estimulación del crecimiento y la producción de cannabis medicinal al iluminar las plantas con una combinación de infrarrojo cercano, luz roja y luz azul. La selección de luz también puede modificarse mediante radiación UV-B y/o UV-A.
Todavía otro objeto de esta descripción es proporcionar un dispositivo para iluminar plantas usando longitudes de onda NIR en el espectro, en el que el dispositivo comprende uno o más elementos LED y una fuente de alimentación para los elementos LED, en el que dichos elementos LED comprenden un elemento LED de infrarrojo cercano, en el que un elemento LED del infrarrojo dentro de un rango de 840 nm a 960 nm.
Es otro objeto de esta descripción proporcionar un dispositivo para iluminar plántulas in vitro usando NIR en combinación con una combinación seleccionada de longitudes de onda del espectro de luz blanca.
Otro objeto de esta descripción es proporcionar un dispositivo para iluminar plantas usando luz NIR, en el que el dispositivo comprende uno o más elementos LED y una fuente de alimentación para los elementos LED, en el que dichos elementos LED comprenden elementos LED de infrarrojo cercano y elementos de luz blanca, y en el que los elementos LED de blanco e infrarrojo cercano se incluyen de manera alterna, preferentemente en un panel alargado o cadena en la dirección de alargamiento.
Otro objeto más de esta descripción es proporcionar un dispositivo para iluminar plantas usando NIR, en el que el dispositivo comprende uno o más elementos LED y una fuente de alimentación para los elementos LED, donde dichos elementos LED comprenden elementos LED de infrarrojo cercano y elementos de luz blanca, y en el que los elementos LED de blanco e infrarrojo cercano se incluyen de manera alterna en un panel o cadena preferentemente alargada en la dirección de alargamiento y en el que el número de elementos LED de luz blanca en el dispositivo es mayor que el número de elementos de infrarrojo cercano.
Es otro objeto de esta descripción proporcionar un dispositivo para la iluminación de plantas usando NIR, en el que el dispositivo comprende uno o más elementos LED y una fuente de alimentación para los elementos LED, en el que dichos elementos LED comprenden elementos LED del infrarrojo y elementos de luz blanca, y en el que los elementos LED de blanco e infrarrojo cercano se incluyen de manera alterna en un panel o cadena preferentemente alargada en la dirección del alargamiento, y en el que la salida radiante de los elementos LED de infrarrojo cercano está en un rango del 5 % al 25 % de la salida radiante total.
Otro objeto de esta descripción es proporcionar un dispositivo para iluminar plantas usando longitudes de onda NIR en el espectro en combinación con otros colores de radiación fotosintéticamente activa (PAR), en el que el dispositivo permite ajustar el espectro de luz de acuerdo con las necesidades de la planta en función de su etapa de desarrollo o en función del tiempo del ciclo de luz/oscuridad que permite más rayos rojos o azules o infrarrojos cercanos en el espectro.
Otro objeto más de esta descripción es proporcionar un dispositivo para iluminar plantas usando longitudes de onda NIR en el espectro en combinación con otros colores de pAr , en el que el dispositivo permite ajustar el espectro de luz de acuerdo con el cambio diario natural del espectro de luz solar que cambia automáticamente el porcentaje de longitudes de onda roja, azul, verde o infrarroja en el espectro o encender y apagar la luz de acuerdo con la hora del día durante un ciclo de 24 horas.
Estas y otras realizaciones se entenderán mejor junto con los dibujos y la descripción que sigue.
Una breve descripción de los dibujos
A continuación, se describirán varios aspectos de la descripción, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 muestra la reflectancia de la vegetación saludable y no saludable. Puede observarse que en la región NIR las plantas enfermas reflejan mucho menos que las plantas sanas. Esto significa que la absorción de longitudes de onda NIR es mayor en las plantas enfermas que en las sanas. Las plantas enfermas pueden absorber hasta el 60 % de la luz de la región NIR, en dependencia del grado de daño.
La Figura 2 muestra el espectro típico de luces de crecimiento disponibles en el mercado. El nivel actual de tecnología proporciona sistemas de iluminación que carecen de luces verdes y amarillas y ninguno de los sistemas actuales incluye NIR.
La Figura 3 muestra un ejemplo de espectro de luces de crecimiento de acuerdo con un aspecto de esta descripción. El espectro incluye LED de blanco frío (5000 K) y blanco cálido (3500 K) y elementos LED de infrarrojo cercano que emiten entre 875 y 975 nm con un pico de alrededor de 930 nm.
La Figura 4 muestra un ejemplo de un espectro y una salida radiante de acuerdo con un aspecto de los elementos LED de infrarrojo cercano de esta descripción. El LED emite entre 775 y 925 nm con pico a 850 nm.
La Figura 5 muestra un ejemplo de un espectro y una salida radiante de un LED de infrarrojo cercano estándar con un pico de emisión a 880 nm y un emisor de fuente puntual similar con un pico a 880 nm, los cuales pueden usarse en el dispositivo y el método de esta descripción.
La Figura 6 muestra un ejemplo de espectro y salida radiante de una realización del elemento LED de blanco frío de esta descripción. Estos elementos se usan en combinación con elementos LED de infrarrojo cercano (por ejemplo, las Figuras 4 y 5) y/o con elementos LED de blanco cálido (por ejemplo, la Figura 7).
La Figura 7 muestra un ejemplo de espectro y salida radiante de una realización del elemento LED de blanco cálido de esta descripción. Estos elementos se usan en combinación con elementos LED de infrarrojo cercano (por ejemplo, las Figuras 4 y 5) y/o con elementos LED de blanco frío (por ejemplo, la Figura 6). La Figura 8 muestra un ejemplo de una realización de la descripción donde la luz blanca comprende espectros emitidos por varios elementos LED de varios colores del espectro PAR y la NIR se emite de varios elementos LED de infrarrojo cercano con diferentes longitudes de onda.
La Figura 9 muestra un ejemplo de un dispositivo de luz de crecimiento de acuerdo con esta descripción. El dispositivo comprende elementos LED de infrarrojo cercano y elementos LED de color blanco donde los elementos LED de color blanco pueden emitir longitudes de onda iguales o diferentes, que pueden ser elementos LED de blanco frío que emiten espectros como en la Figura 6 o pueden ser LED de color blanco cálido que emiten un espectro como en la Figura 7.
La Figura 10 muestra una realización del dispositivo de luz de crecimiento de acuerdo con esta descripción. El dispositivo comprende elementos LED de infrarrojo cercano y elementos LED de color blanco y el dispositivo es flexible.
La Figura 11 muestra un híbrido NIR/LED como el que se muestra en la Figura 9 dentro de un dosel de plantas fucsias.
La Figura 12 muestra el efecto de la radiación NIR y fotosintéticamente activa en las tasas de crecimiento de plántulas de varias especies de plantas. La curva representa los resultados típicos obtenidos con plántulas de tomate, trigo, maíz, geranio y fucsia.
Descripción detallada
Definiciones
Por infrarrojo lejano se entiende longitudes de onda por encima de 1400 nm.
Por infrarrojo cercano se entiende longitudes de onda de 750-1400 nm.
Por luces visibles se entiende longitudes de onda de 390-750 nm.
Por radiación fotosintéticamente activa (PAR) se entiende longitudes de onda de 400-700 nm.
Por luz azul se entiende longitudes de onda de 380-495 nm.
Por luz ultravioleta se entiende longitudes de onda de 10-380 nm.
Por luz ultravioleta A se entiende longitudes de onda de 350-400 nm.
Por luz ultravioleta B se entiende longitudes de onda de 280-315 nm
Por luz naranja se entiende longitudes de onda de 590-620 nm.
Por luz roja se entiende longitudes de onda de 600-700 nm.
Por luz roja lejana se entiende longitudes de onda de 700-750 nm.
Por luz verde se entiende longitudes de onda de 495-590 nm.
Por luz amarilla se entiende longitudes de onda de 570-590 nm.
Por luz blanca fría se entiende la luz con temperaturas de color correlacionadas* de 5000-6000K.
Por luz blanca cálida se entiende la luz con temperaturas de color correlacionadas de 2700-3500K.
*La temperatura de color correlacionada (CCT) en iluminación describe cómo aparece el color de la luz de una lámpara, medido en Kelvins (K).
En el presente contexto, los términos 'LED', 'elemento LED' y 'diodo emisor de luz' se usan indistintamente y se refieren a diodos emisores de luz en todas las formas conocidas, ya sean inorgánicos, orgánicos, puntuales o lineales. En un aspecto de la descripción, los LED son elementos de gran angular, que se refieren a los LED que emiten una luz distribuida uniformemente en lugar de focos. Los LED pueden usarse en salida de alta potencia y emitir continuamente.
La presente descripción se refiere a un método para cultivar plantas con el uso de luz LED artificial. El método comprende proporcionar un sistema de iluminación para iluminar una planta con una combinación de luz visible e infrarroja cercana. En comparación con otros tipos de luces de crecimiento, el método y el dispositivo de esta descripción ayudan a que las plantas crezcan mucho más rápido debido a su espectro único. Existen múltiples picos de absorción para la clorofila, los carotenoides y el fitocromo, y la luz y el dispositivo de esta descripción (denominado aquí Vitabeam GROW™) emplean rayos de longitudes de onda especiales que se superponen a estos picos. El dispositivo emite las longitudes de onda de luz correspondientes a los picos de absorción de los procesos fotoquímicos típicos de una planta.
La luz infrarroja cercana se ha utilizado ampliamente para la detección remota. La detección remota se ha usado para la detección de la vegetación, la etapa de crecimiento y la salud de la vegetación. Las plantas sanas pueden identificarse mediante el uso del espectro infrarrojo cercano porque reflejan la mayor parte (alrededor del 80 %), mientras que las plantas enfermas reflejan mucho menos NIR. Por lo tanto, el estrés de la planta se indica mediante una disminución progresiva de la reflectancia de NIR. Esto se muestra esquemáticamente en la Figura 1. En función de esta información parece que las plantas verdes necesitan luz NIR para ciertos procesos fisiológicos y bioquímicos relacionados con su crecimiento, desarrollo y reparación de tejidos dañados. Esta es la razón por la que las plantas enfermas necesitan más luz infrarroja cercana; a medida que se emite menos. La NIR activa el metabolismo en las plantas y sus tejidos dañados, posiblemente, de manera similar a como lo hace probablemente en los tejidos animales y humanos. Uno de los mecanismos de acción de la NIR involucra el sistema respiratorio de la célula ubicado en las mitocondrias. Sin embargo, como se discutió anteriormente, la NIR ha sido considerada como 'inútil' o incluso 'dañina' para las plantas.
Los pigmentos fotosintéticamente activos absorben la luz roja entre 600 y 700 nm. Se sabe que los fitocromos son esenciales para que las plantas detecten la luz y absorben la luz roja y roja lejana (alrededor de 750 nm). Algunos pigmentos vegetales absorben luz en la región de luz azul. Se sabe que la luz verde es la menos activa de la luz visible. Por estas razones, las luces de crecimiento proporcionadas para las plantas generalmente tienen un espectro que incluye luces azules y rojas, a veces luz roja lejana y, por lo general, no tienen longitudes de onda de luz verde. La Figura 2 muestra un espectro típico de sistemas de iluminación disponibles comercialmente. No se conoce ningún pigmento específico que absorba NIR.
Más recientemente, se han realizado investigaciones que muestran que las plantas en diferentes etapas de desarrollo crecen mejor con diferentes proporciones de rojo/azul. El documento WO 2013/188303 muestra un sistema de iluminación donde la proporción de rojo y azul puede modificarse en dependencia de la etapa de desarrollo de la planta.
No hay sistemas de iluminación disponibles comercialmente ni descripciones que muestren el uso de la emisión de NIR en una combinación de espectro de color seleccionado del espectro de luz blanca. Tampoco se describe un sistema en el que el espectro de color cambiaría a lo largo del día mientras se mantiene el nivel de NIR durante todo el período de iluminación o partes seleccionadas del período de iluminación.
Esta descripción proporciona un sistema de iluminación donde la NIR es una parte esencial del espectro. Con referencia a la Figura 3, se proporciona un ejemplo de espectro de luces de crecimiento de acuerdo con esta descripción. El espectro incluye LED de luz diurna fría blanca (5000-7000K) y blanca cálida (3000-3500K) y elementos LED de infrarrojo cercano que emiten entre 875 y 975 nm con un pico de alrededor de 930 nm. Las longitudes de onda NIR también pueden estar entre 800 nm y 900 nm o entre 800 nm y 950 nm.
La emisión de NIR puede proporcionarse por un elemento LED de infrarrojo cercano que tenga un espectro de emisión como se muestra en la Figura 4, con un pico a 850 nm. La emisión NIR puede proporcionarse por un LED infrarrojo cercano con un pico a 880 nm o por una fuente emisora con un pico a 880 nm, como se muestra en la Figura 5.
El pico de emisión NIR puede estar entre longitudes de onda de 850 y 960 nm.
El sistema de iluminación de esta descripción tiene además un espectro de luz visible, que puede ser como se muestra en la Figura 6, donde el espectro visible es un espectro blanco frío (longitudes de onda entre 380 nm y 750 nm) o como se muestra en la Figura 7, donde el espectro visible espectro es un espectro blanco cálido (longitudes de onda entre 420 y 720 nm). Como ejemplo, una combinación de dos espectros (dos tipos de luces LED de blanco) brinda el espectro "universal" que se adapta a la mayoría de los requisitos para la fotosíntesis de las plantas, el crecimiento y el rendimiento óptimos.
El espectro visible también puede componerse por espectros emitidos por varios elementos LED de varios colores del espectro PAR, como se muestra en la Figura 8. De manera similar, el espectro NIR puede componerse por NIR emitida por varios LED de infrarrojo cercano con diferentes picos de longitudes de onda, como se muestra en la Figura 8, por ejemplo.
En algunos aspectos de la descripción, el sistema de iluminación de esta descripción también puede incluir luz ultravioleta. La luz ultravioleta puede estar en longitudes de onda de 350 a 400 nm. En algunos aspectos, la luz ultravioleta B puede incluirse con o sin luz ultravioleta A.
Con referencia a la Figura 9, el dispositivo de luz de crecimiento de acuerdo con esta descripción puede ser un tubo LED compuesto por uno o más LED de infrarrojo cercano y uno o más LED de color blanco. Preferentemente, el número de LED de color blanco es mayor que el número de LED de infrarrojo cercano.
La Figura 10 muestra una variación del dispositivo en el que el dispositivo de luz de crecimiento está hecho de un material flexible. Esto permite ubicar la luz dentro de un dosel de plantas y permite usar el dispositivo en espacios pequeños o irregulares. De acuerdo con un aspecto, los LED de color y los elementos LED de infrarrojo cercano se incluyen en el dispositivo de manera alterna en un panel alargado o una cadena en la dirección de alargamiento. La cantidad de elementos LED de infrarrojo cercano y la cantidad de elementos LED de luz blanca en el dispositivo pueden variar en dependencia de la forma del dispositivo y la aplicación para la que se utilizan. En un aspecto, el número de elementos LED de luz blanca es mayor que el número de elementos LED de infrarrojo cercano.
La relación entre los elementos LED de luz blanca y los elementos LED de infrarrojo cercano puede variar en dependencia de la aplicación y la forma del dispositivo. Preferentemente, el número de LED de luz blanca es de 4 a 20 veces mayor que el número de elementos LED de infrarrojo cercano. En algunos aspectos, el número de LED de luz blanca es de 5 a 15 veces mayor que el número de elementos LED de infrarrojo cercano. En un aspecto de la descripción, el número de elementos LED de colores, como azul, amarillo, verde y rojo, es de 4 a 20 veces mayor que el número de elementos LED de infrarrojo cercano. En algunos aspectos, el número de LED de colores es de 5 a 15 veces mayor que el número de elementos LED de infrarrojo cercano.
La potencia de salida de los LED puede ajustarse de cualquier forma conveniente. En una realización, la salida se ajusta por tipo de longitud de onda específica. La salida radiante de los LED es preferentemente de al menos 10 mW, más preferentemente de al menos 50 mW, al menos 100 mW, al menos 500 mW o al menos 1 W. Más preferentemente, los LED son LED de alta potencia con una salida radiante de al menos 5 W, al menos 10 W, al menos 15 W, al menos 20 W, al menos 25 W, al menos 30 W, al menos 35 W o al menos 40 W. En una realización, los LED son elementos LED de alta potencia con una intensidad de luz de al menos 100 mW/cm2, al menos 200 mW/cm2, al menos 300 mW/cm2, al menos 400 mW/cm2, al menos 500 mW/cm2 o al menos 1000 mW/cm2, en modo continuo. En invernaderos, el nivel de PAR suplementaria varía preferentemente entre 3 W/m2 para helechos y otros cultivos con poca luz, y 20 W/m2 para cultivos de hortalizas y áreas de propagación. Por ejemplo, el dispositivo ilumina un cultivo al menos 2 W/m2, más preferentemente 5 W/m2 o a 10 W/m2 durante 18 horas o al menos 15 W/m2 o al menos 20 W/m2, o al menos 50 W/m2 o al menos 100 W/m2. La duración de la exposición a la luz es de al menos 2 horas, preferentemente de al menos 8 horas, más preferentemente de al menos 12 horas, lo más preferentemente de 16 horas, 18 horas o 24 horas.
Los LED de color blanco pueden emitir diferentes longitudes de onda. Puede haber espectros de emisión de LED de color blanco frío, como en la Figura 6, o espectros de emisión de LED de color blanco cálido, como en la Figura 7. De acuerdo con la invención, la NIR está en el rango de 860 a 900 nm.
De acuerdo con una realización, la NIR se proporciona en combinación con luz blanca cálida (3000-3500K) y luz blanca fría (5000-7000K) en longitudes de onda de 400 a 700 nm. Hay dos enfoques para crear luz blanca. Un enfoque consiste en mezclar la luz de varios LED de colores (Figura 8) para crear una distribución de energía espectral que parezca blanca.
Otro enfoque para generar luz blanca es el uso de fósforos junto con un LED de longitud de onda corta. Por ejemplo, cuando un material de fósforo utilizado en los LED se ilumina con luz azul, emite luz amarilla con una distribución de energía espectral bastante amplia. Al incorporar el fósforo en el cuerpo de un LED azul con un pico de longitud de onda de alrededor de 450 a 470 nm, el fósforo convertirá parte de la luz azul en luz amarilla. La luz azul restante, cuando se mezcla con la luz amarilla, da como resultado una luz blanca. Se están desarrollando nuevos fósforos para mejorar la reproducción cromática, como se muestra en las Figuras 6 y 7.
De acuerdo con la invención, la salida radiante de los elementos LED de infrarrojo cercano está entre el 5 y el 25 % de la salida total.
De acuerdo con un aspecto de la descripción, el dispositivo de esta descripción permite ajustar el espectro de luz de acuerdo con las necesidades de la planta, lo que permite más rayos rojos o azules o NIR en el espectro. Este ajuste puede realizarse de forma manual o automática en función de la etapa de desarrollo de la planta o en función del cambio diario natural de la luz solar, o en función de la hora del día.
De acuerdo con un aspecto de la descripción, se proporciona un software con el sistema de iluminación que permite la programación de una placa de circuito de relé. De acuerdo con un aspecto, cada espectro individual puede controlarse con eventos secuenciados que permiten personalizar la intensidad y la duración de cada espectro específico. De acuerdo con un aspecto, el sistema cambia automáticamente el porcentaje de longitudes de onda de rojo, azul, verde y NIR de acuerdo con la hora del día en un ciclo de 24 horas. El dispositivo puede permitir ajustar el espectro de luz de acuerdo con el cambio diario natural del espectro de luz solar que cambia automáticamente el porcentaje de longitudes de onda de infrarrojo cercano, rojo, azul o verde en el espectro o encender y apagar la luz de acuerdo con la hora del día dentro un ciclo de 24 horas. En un aspecto, un espectro individual puede controlarse con hasta 999 eventos secuenciados en el tiempo, lo que permite una máxima personalización de la intensidad y duración requeridas de cada espectro específico.
Esta descripción proporciona un dispositivo y un método para mejorar el crecimiento, el rendimiento y la salud de los cultivos mediante la iluminación de las plantas con una combinación de NIR y luz visible. Las plantas pueden seleccionarse de plantas de cultivo, plantas medicinales o plantas con flores. Las plantas pueden ser monocotiledóneas o dicotiledóneas, algas o helechos. Las plantas pueden seleccionarse de al menos las siguientes especies: cebada, avena, centeno, maíz, fresa, arándano, frambuesa, patata, tomate, plantas de col, leguminosas, pepinos, pimientos, plantas bulbíferas, cannabis, fucsia, geranio, crisantemo, rosa, tulipán y amarilis. Varias otras especies de plantas también pueden beneficiarse del método descrito en esta descripción. Las plantas pueden cultivarse in vivo o in vitro; pueden crecer en cultivo hidropónico o en suelo.
Los efectos positivos de la NIR y la luz visible pueden medirse, por ejemplo, como una mayor biomasa, mayor número de flores u hojas, mayor número de frutos o bayas, mayor contenido bioquímico natural en una especie de planta, floración más temprana, floración más duradera, y/o producción más temprana del cultivo.
La invención se describe ahora a la luz de ejemplos ilustrativos, pero no limitativos.
Ejemplo 1. Efecto sinérgico de la NIR y luz blanca en el crecimiento de las plantas
Se germinaron semillas de varias especies de plantas (tomate, trigo, maíz, fucsia, germanio, etc.) en la oscuridad. Una vez germinadas, las plántulas se transfirieron bajo un dispositivo de iluminación que se muestra en la Figura 9. El dispositivo constaba de elementos LED de infrarrojo cercano y elementos LED de color blanco en la región de longitud de onda PAR. Por ejemplo, un dispositivo en el que los elementos LED de blanco e infrarrojo cercano se incluyen de manera alterna en un panel alargado o una cadena en la dirección del alargamiento, en el que el número de elementos LED de luz blanca en el dispositivo es mayor que el número de elementos de infrarrojo cercano. Más específicamente, un dispositivo en el que los elementos LED de luz blanca comprenden un elemento LED de 3500 K y un elemento LED de 6500 K en el que la NIR de salida máxima de 850 nm (rango de 800 nm-900 nm) o salida máxima de 880 nm (rango de 800 nm-950 nm). La salida radiante de los elementos LED es preferentemente de al menos 10 mW, más preferentemente de al menos 50 mW, al menos 100 mW, al menos 500 mW o al menos 1 W. Más preferentemente, los LED son LED de alta potencia con una salida radiante de al menos 5 W, al menos 10 W, al menos 15 W, al menos 20 W, al menos 25 W, al menos 30 W, al menos 35 W o al menos 40 W. En una realización, los LED son elementos LED de alta potencia con una intensidad de luz de al menos 100 mW/cm2, al menos 200 mW/cm2, al menos 300 mW/cm2, al menos 400 mW/cm2, al menos 500 mW/cm2 o al menos 1000 mW/cm2, en modo continuo. En invernaderos, se sugiere un nivel de PAR suplementario que va desde 3 W m2 para helechos y otros cultivos con poca luz, hasta 20 W m2 para cultivos de hortalizas y áreas de propagación. Por ejemplo, el dispositivo ilumina un cultivo de al menos 2 W/m2, más preferentemente 5 W/m2 o al menos 10 W/m2 durante 18 horas o al menos 15 W/m2 o al menos 20 W/m2 o al menos 50 W/m2 o al menos 100 W/m2. La duración de la exposición a la luz durante al menos 12 horas, más preferentemente 16 horas, 18 horas o 24 horas.
Tabla 1. Tratamientos típicos de iluminación suplementaria (h) para cultivos comerciales de invernadero (varias fuentes):
Las plantas de control estaban bajo LED de color blanco, mientras que las plantas experimentales estaban bajo una combinación de NIR y luz blanca. El espectro de los LED de color blanco fue idéntico tanto para las plantas de control como para las experimentales. El ciclo día/noche se programó para ser 8 h noche 16 h día. El crecimiento de las plántulas se monitoreó al medir el peso fresco y seco (biomasa) de la plántula durante un período de 14 días. Los resultados mostraron consistentemente que la NIR luz blanca en longitudes de onda PAR mejoraba el crecimiento de las plantas en comparación con las plantas de control cultivadas solo con luz de color blanco de PAR. La Figura 12 muestra una curva de crecimiento típica de las plántulas.
Ejemplo 2. La combinación de NIR y luz blanca mejora la floración de Geranio
Las plantas de geranio se expusieron solo a luz blanca (PAR de 400 nm-700 nm) o NIR de 800 nm a 950 nm con un pico promedio de 850 nm-880 nm y luz blanca (PAR). El período de luz/oscuridad fue de 16h/8h. Las plantas se expusieron a estas condiciones de iluminación durante 60 días.
La floración de las plantas expuestas a NIR+luz blanca comenzó en promedio 3 días antes que la floración de las plantas con luz blanca únicamente. Además, las flores de las plantas iluminadas con luz blanca+NIR duraron completamente abiertas en promedio 3-5 días más que las flores de las plantas iluminadas solo con luz blanca. Ejemplo 3. Combinación de NIR y luz blanca en cultivo hidropónico de fresas
Las plántulas de fresa se cultivan en cultivo hidropónico. Las plantas se iluminan con radiación fotosintéticamente activa en combinación con NIR de 800 nm a 950 nm con un pico de 850 nm - 880 nm. El ciclo día/noche es de 16/8h. La biomasa seca de las plantas se mide una vez al día durante un período de 30 días. Los experimentos preliminares indican que se espera que las plantas cultivadas bajo PAR con 10 % de NIR muestren la mayor acumulación de masa seca. Se espera que pAr más 5 % o 25 % de NIR muestre una mayor tasa de acumulación de masa seca que las plantas cultivadas solo con PAR. Sin embargo, se espera que las plantas cultivadas bajo PAR más 5 % de NIR o PAR más 25 % de NIR muestren una menor acumulación de biomasa que las plantas cultivadas bajo PAR más 10 % de NIR. Las plantas cultivadas bajo PAR con 50 % de NIR no mostraron ninguna mejora en comparación con las plantas cultivadas bajo PAR.
Tabla 2. Efecto de la adición de NIR a PAR en el crecimiento de fresas en hidroponía mostrando acumulación de biomasa seca en un ciclo de luz diurna de 16h/8h. Los resultados representan el crecimiento al final del período experimental.
Ejemplo 4. Combinación de NIR, PAR y luz UV en el cultivo de cannabis medicinal
Las plantas de cannabis se cultivan bajo luz que proporciona un 10-15 % de luz UV-A (380 a 400 nm) con luz UV-B (280 a 315 nm), luz PAR (400 a 700 nm) y un 5-15 % de NIR (longitudes de onda de 850 nm a 890 nm). El efecto de la luz UV-A es aumentar el porcentaje de THC en el cannabis. El efecto de NIR es aumentar la biomasa de las plantas. Por lo tanto, se espera que las plantas cultivadas bajo UV en combinación con NIR tengan una mayor biomasa y una mayor concentración de TCH en el tejido. Debido a esta combinación, la productividad de la marihuana medicinal aumentará sustancialmente.
Ejemplo 5. Combinación de NIR y PAR para uso con propagación de plantas in vitro
La NIR y la PAR pueden ayudar a acelerar el crecimiento de las plántulas en el caso de la propagación de plantas in vitro. Una adición de UV-B de 280 a 315 nm y un 5 % de violeta de 405 nm proporciona cierto nivel de desinfección (2-3 log de reducción de varias bacterias y hongos patógenos) y hace que los materiales vegetales estén libres de patógenos. Como resultado de esta aplicación de iluminación, las plántulas crecerán mejor y producirán plantas más sanas. También se espera que esta combinación de iluminación NIR y PAR mejore el desarrollo de plántulas a partir de explantas modificadas genéticamente.
Ejemplo 6. Estimulación de la etapa temprana de crecimiento de las plantas bulbíferas
Los bulbos latentes de tulipanes, amarilis y narcisos se someten a una combinación de luces NIR y PAR a temperatura ambiente durante un período día/noche de 12/12 horas. Los bulbos de control están sujetos únicamente a la luz PAR. Las primeras hojas verdes emergen varios días antes de los bulbos tratados con una combinación de NIR y PAR en comparación con los bulbos tratados solo con PAR.
Ejemplo 7. Estimulación del crecimiento de las plantas de cultivo.
Se sembraron plántulas orgánicas de cebada, avena y trigo de diez días de edad o 'Cereales' en macetas de 2"x4" y brotes de alfalfa en recipientes de plástico. La luz se ajustó 6" por encima de las plantas. La luz de control es tubo LED T8 de 6000K (como fuente de PAR), NIR de 7 % de potencia de salida PAR, tubo LED T8 de 6000K y NIR de 50 % de potencia de salida PAR (tubo LED T8 de 6000K). El crecimiento de las plantas se monitoreó como acumulación total de biomasa. El crecimiento se estimuló con un bajo porcentaje de NIR (31 % de aumento en la acumulación de biomasa con 7 % de NIR). Un alto porcentaje de NIR (aprox. 50 %) no mostró ningún beneficio significativo en el crecimiento de las plantas en estas pruebas.
Ejemplo 8. Estimulación del crecimiento de las plantas de Crisantemo
Se colocaron macetas de plástico con una mezcla de suelo de composta artificial que tenía plántulas de crisantemo provenientes de tejido vegetal en un túnel de invernadero cubierto con un plástico para el cultivo. Se proporcionó iluminación PAR y NIR a las plantas desde una distancia de aproximadamente 20 cm. Se colocó un tratamiento de control en un compartimento separado del túnel. El crecimiento de las plantas se midió en las semanas 3 y 5 y en ese momento se registrará la altura de las plantas, el número de hojas por planta y la supervivencia de las plantas. La diferencia en el crecimiento de las plantas entre las plantas de control y las tratadas con NIR-PAR fue del 25 % al 30 % a favor del tratamiento con NIR+PAR.
Ejemplo 9. Un sistema de iluminación para cultivar tomates en un invernadero.
Un sistema de iluminación que incluye lámparas LED que proporcionan luz infrarroja cercana (840-960 nm), luz roja (660 nm), luz azul (450 nm) y luz blanca con un perfil de radiación fotosintéticamente activa entre 400 y 700 nm. El sistema de iluminación se programa de la siguiente manera:
Luces led de ciclo de funcionamiento
En consecuencia, las plantas se iluminan con NIR durante las primeras horas de la mañana y las últimas horas de la tarde en combinación con luz roja y/o luz fotosintéticamente activa. Las plantas se exponen a la luz azul en combinación con la luz blanca fotosintéticamente activa durante las últimas horas de la mañana, el día y las primeras horas de la noche. La luz fotosintéticamente activa está encendida entre las 7 y las 10 de la mañana. Las plantas están sin luz entre las 12 y las 5:30 AM. Las plantas se exponen a la NIR entre las 6:00 y las 8:30 de la mañana y las 8:00 y las 11:30 de la noche. Este ciclo de luz mejora el crecimiento de las plantas de tomate. La masa seca, así como la producción de frutos, es mayor en estas plantas en comparación con otras plantas que tienen las mismas condiciones de luz, excepto que no reciben la NIR.
Claims (15)
1. Un método para la estimulación del crecimiento de las plantas, cuyo método comprende iluminar simultáneamente las plantas con luz infrarroja cercana y luz blanca emitida por uno o más elementos LED, caracterizado porque
la salida radiante en los elementos LED con radiación infrarroja cercana (NIR) varía de 840 nm a 960 nm, y
en el que la salida radiante de los elementos LED de infrarrojo cercano está entre el 5 y el 25 % de la salida radiante total.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la luz blanca es una combinación de luz blanca cálida (3000 - 3500 K) y luz blanca fría (5000 - 7000 K) del rango de longitudes de onda de 400 nm - 700 nm.
3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que la luz blanca se proporciona en combinación con UV-A y UV-B y es una selección de colores violeta, azul, verde, naranja y rojo de longitud de onda de 400 nm-700 nm.
4. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 - 2, en el que la luz blanca se proporciona en combinación con UV-A y es una selección de colores violeta, azul, verde, naranja y rojo del rango de longitudes de onda de 400 nm - 700 nm.
5. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la planta es una planta comestible.
6. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que la planta es una especie con flores.
7. Un dispositivo para la estimulación del crecimiento de las plantas mediante la iluminación de las plantas usando NIR, en el que el dispositivo comprende uno o más elementos LED y una fuente de alimentación para los elementos LED, en el que dichos elementos LED comprenden LED de color con longitudes de onda de luz de radiación fotosintéticamente activa (PAR) de 400-700 nm y elementos LED de infrarrojo cercano caracterizados porque los elementos LED de infrarrojo cercano están en un rango de 840 nm a 960 nm, por lo que la salida radiante de los elementos LED de infrarrojo cercano está en un rango del 5 al 25 % de la salida radiante total.
8. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 7, en el que los elementos LED de blanco e infrarrojo cercano se incluyen de manera alterna en un panel alargado o cadena en la dirección de alargamiento.
9. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, en el que el dispositivo es una cadena flexible.
10. El dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 - 9, en el que el número de elementos LED de luz blanca en el dispositivo es mayor que el número de elementos LED de infrarrojo cercano.
11. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 10, en el que el número de elementos LED de luz blanca es de 4 a 20 veces mayor que el número de elementos LED de infrarrojo cercano.
12. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 7 para iluminar plantas usando NIR en longitudes de onda de 840-960 nm y otros colores de PAR, en el que el dispositivo permite ajustar un espectro de luz de acuerdo con las necesidades de la planta, lo que permite más rayos rojos o azules o infrarrojos cercanos en el espectro.
13. El dispositivo de la reivindicación 12, en el que el dispositivo permite ajustar el espectro de luz de acuerdo con el cambio diario natural del espectro de luz solar que cambia automáticamente el porcentaje de longitudes de onda de infrarrojo cercano, rojo, azul, verde en el espectro o encender y apagar la luz de acuerdo con la hora del día dentro de un ciclo de 24 horas.
14. El dispositivo de la reivindicación 12 o 13, en el que el ajuste se automatiza mediante la incorporación de una placa de circuito de relé automatizada programable basada en un circuito en el dispositivo.
15. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones 12 -14, en el que un espectro individual puede controlarse con hasta 999 eventos secuenciados en el tiempo, lo que permite una personalización máxima a la intensidad y duración requeridas de cada espectro específico.
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