Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu jt. Allikas: Põllumajandustehnika (kasvuhooneaiandus)

Tehas ühendab endas kaasaegse tööstuse, biotehnoloogia, toitainete hüdropoonika ja infotehnoloogia, et rakendada rajatises keskkonnategurite ülitäpset kontrolli. See on täielikult suletud, sellel on madalad nõudmised ümbritsevale keskkonnale, see lühendab taimede koristusperioodi, säästab vett ja väetist ning tänu pestitsiidivaba tootmise ja jäätmete puudumise eelistele on maakasutuse efektiivsus ühiku kohta 40–108 korda suurem kui avamaal tootmisel. Nende hulgas mängivad tootmise efektiivsuses otsustavat rolli intelligentne tehisvalgusallikas ja selle valguskeskkonna reguleerimine.

Olulise füüsikalise keskkonnategurina mängib valgus võtmerolli taimede kasvu ja materjalide ainevahetuse reguleerimisel. „Üks taimetehase peamisi omadusi on täielikult kunstlik valgusallikas ja valguskeskkonna intelligentse reguleerimise realiseerimine“ on tööstuses muutunud üldiseks konsensuseks.

Taimede vajadus valguse järele

Valgus on taimede fotosünteesi ainus energiaallikas. Valguse intensiivsus, valguse kvaliteet (spekter) ja valguse perioodilised muutused mõjutavad oluliselt põllukultuuride kasvu ja arengut, millest valguse intensiivsusel on taimede fotosünteesile suurim mõju.

■ Valguse intensiivsus

Valguse intensiivsus võib muuta põllukultuuride morfoloogiat, näiteks õitsemist, sõlmevahede pikkust, varre paksust ning lehtede suurust ja paksust. Taimede valgustugevuse nõuded võib jagada valguslembeseks, keskmise valgustugevusega ja vähese valgusega taluvaks. Köögiviljad on enamasti valguslembesed taimed ning nende valguse kompenseerimispunktid ja valguse küllastuspunktid on suhteliselt kõrged. Kunstvalgustusega taimede tehastes on põllukultuuride asjakohased valgustugevuse nõuded oluliseks aluseks kunstlike valgusallikate valimisel. Erinevate taimede valgustugevuse mõistmine on oluline kunstlike valgusallikate kavandamisel. See on äärmiselt vajalik süsteemi tootmistulemuste parandamiseks.

■ Valguse kvaliteet

Valguse kvaliteedi (spektraalse) jaotuse mõju taimede fotosünteesile ja morfogeneesile on samuti oluline (joonis 1). Valgus on osa kiirgusest ja kiirgus on elektromagnetlaine. Elektromagnetilistel lainetel on lainelised ja kvant- (osakeste) omadused. Aianduses nimetatakse valguse kvanti footoniks. Kiirgust lainepikkuste vahemikus 300–800 nm nimetatakse taimede füsioloogiliselt aktiivseks kiirguseks; kiirgust lainepikkuste vahemikus 400–700 nm nimetatakse taimede fotosünteetiliselt aktiivseks kiirguseks (PAR).

Klorofüll ja karoteenid on taimede fotosünteesi kaks kõige olulisemat pigmenti. Joonis 2 näitab iga fotosünteesi pigmendi spektraalset neeldumisspektrit, milles klorofülli neeldumisspekter on koondunud punasesse ja sinisesse riba. Valgustussüsteem põhineb põllukultuuride spektraalsel vajadusel kunstlikult valgust täiendada, et soodustada taimede fotosünteesi.

■ fotoperiood
Taimede fotosünteesi ja fotomorfogeneesi ning päeva pikkuse (või fotoperioodi aja) vahelist seost nimetatakse taimede fotoperioodilisuseks. Fotoperioodilisus on tihedalt seotud valgusaegadega ehk ajaga, mille jooksul põllukultuur on valguse käes. Erinevad põllukultuurid vajavad õitsemiseks ja vilja kandmiseks fotoperioodi lõpuleviimiseks teatud arvu valgusaegu. Erinevate fotoperioodide järgi saab põllukultuure jagada pikapäevakultuurideks, näiteks kapsas jne, mis vajavad teatud kasvufaasis rohkem kui 12–14 tundi valgusaega; lühikese päevaajaga põllukultuurideks, näiteks sibul, sojaoad jne, on vaja vähem kui 12–14 tundi valgusaega; keskmise päikesevalgusega põllukultuurideks, näiteks kurgid, tomatid, paprikad jne, on võimalik õitseda ja vilja kanda nii pikema kui ka lühema päikesevalguse käes.
Keskkonna kolme elemendi hulgas on valguse intensiivsus oluline alus kunstlike valgusallikate valimisel. Praegu on valguse intensiivsuse väljendamiseks palju viise, sealhulgas peamiselt järgmised kolm.
(1) Valgustus viitab valgustatud pinnale langeva valgusvoo pinnatihedusele (valgusvoog pinnaühiku kohta) luksides (lx).

(2) Fotosünteetiliselt aktiivne kiirgus, PAR, ühik: W/m².

(3) Fotosünteetiliselt efektiivne footonvoo tihedus PPFD ehk PPF on fotosünteetiliselt efektiivse kiirguse hulk, mis jõuab objekti ajaühikus ja pindalaühikus või läbib seda. Ühik: μmol/(m²·s). See viitab peamiselt fotosünteesiga otseselt seotud valguse intensiivsusele lainepikkustel 400–700 nm. See on ka taimekasvatuses kõige sagedamini kasutatav valguse intensiivsuse indikaator.

Tüüpilise lisavalgustussüsteemi valgusallika analüüs
Kunstliku lisavalguse eesmärk on suurendada valguse intensiivsust sihtpiirkonnas või pikendada valgustusaega, paigaldades lisavalgustussüsteemi, et rahuldada taimede valgusvajadust. Üldiselt hõlmab lisavalgustussüsteem lisavalgustusseadmeid, vooluringe ja nende juhtimissüsteemi. Lisavalgusallikate hulka kuuluvad peamiselt mitut tüüpi levinud valgusallikad, näiteks hõõglambid, luminofoorlambid, metallhalogeniidlambid, kõrgrõhu naatriumlambid ja LED-lambid. Hõõglampide madala elektrilise ja optilise efektiivsuse, madala fotosünteesi energiatõhususe ja muude puuduste tõttu on see turult kõrvaldatud, seega ei tee see artikkel üksikasjalikku analüüsi.

■ Luminofoorlamp
Luminofoorlambid kuuluvad madalrõhu gaaslahenduslampide hulka. Klaastoru on täidetud elavhõbeda auru või inertse gaasiga ja toru sisemine sein on kaetud luminofoorpulbriga. Valguse värvus varieerub sõltuvalt torus olevast luminofoormaterjalist. Luminofoorlampidel on hea spektraalne jõudlus, kõrge valgusviljakus, väike võimsus, pikem eluiga (12000h) võrreldes hõõglampidega ja suhteliselt madal hind. Kuna luminofoorlamp ise eraldab vähem soojust, saab seda valgustamiseks taimede lähedal paigutada ja see sobib kolmemõõtmeliseks kasvatamiseks. Luminofoorlambi spektraalne paigutus on aga ebamõistlik. Maailmas on kõige levinum meetod helkurite lisamine, et maksimeerida põllukultuuride efektiivseid valgusallika komponente. Jaapani ettevõte adv-agri on välja töötanud ka uut tüüpi täiendava valgusallika HEFL. HEFL kuulub tegelikult luminofoorlampide kategooriasse. See on külmkatoodluminofoorlampide (CCFL) ja väliselektroodluminofoorlampide (EEFL) üldnimetus ning on segaelektroodluminofoorlamp. HEFL-toru on äärmiselt õhuke, läbimõõduga vaid umbes 4 mm, ja selle pikkust saab vastavalt kasvatamise vajadustele reguleerida vahemikus 450 mm kuni 1200 mm. See on tavapärase luminofoorlambi täiustatud versioon.

■ Metallhalogeniidlamp
Metallhalogeniidlamp on suure intensiivsusega lahenduslamp, mis ergastab erinevaid elemente erinevate lainepikkuste saamiseks, lisades kõrgsurve-elavhõbelambi baasil erinevaid metallhalogeniide (tinabromiid, naatriumjodiid jne) lahendustorusse. Halogeenlampidel on kõrge valgusviljakus, suur võimsus, hea valguse värvus, pikk eluiga ja lai spekter. Kuna valgusviljakus on aga madalam kui kõrgsurve-naatriumlampidel ja eluiga lühem kui kõrgsurve-naatriumlampidel, kasutatakse seda praegu vaid vähestes tehastes.

■ Kõrgrõhu naatriumlamp
Kõrgrõhunaatriumlambid kuuluvad kõrgrõhugaaslahenduslampide hulka. Kõrgrõhunaatriumlamp on suure efektiivsusega lamp, mille tühjendustorusse on lisatud kõrgrõhunaatriumauru ning väike kogus ksenooni (Xe) ja elavhõbedametallhalogeniidi. Kuna kõrgrõhunaatriumlampidel on kõrge elektrooptilise muundamise efektiivsus ja madalamad tootmiskulud, on kõrgrõhunaatriumlambid praegu põllumajandushoonetes lisavalgustuse rakendamisel kõige laialdasemalt kasutatavad. Kuid spektri madala fotosünteesi efektiivsuse tõttu on neil ka madal energiatõhusus. Teisest küljest on kõrgrõhunaatriumlampide kiirgavad spektraalkomponendid koondunud peamiselt kollakasoranži valgusriba, millel puuduvad taimede kasvuks vajalikud punased ja sinised spektrid.

■ Valgusdiood
Uue põlvkonna valgusallikatena on valgusdioodidel (LED-idel) palju eeliseid, näiteks kõrgem elektrooptilise muundamise efektiivsus, reguleeritav spekter ja kõrge fotosünteesi efektiivsus. LED-id suudavad kiirata taimede kasvuks vajalikku monokromaatilist valgust. Võrreldes tavaliste luminofoorlampide ja muude täiendavate valgusallikatega on LED-idel energiasääst, keskkonnakaitse, pikk eluiga, monokromaatiline valgus, külmvalgusallikas jne. LED-ide elektrooptilise efektiivsuse edasise paranemise ja mastaabiefektist tingitud kulude vähendamisega saavad LED-kasvuvalgustussüsteemidest põllumajandushoonetes valgustuse lisamise peamine seade. Selle tulemusel on LED-kasvuvalgustusi kasutatud enam kui 99,9% tehases.

Võrdluse kaudu on erinevate lisavalgusallikate omadused selgelt mõistetavad, nagu on näidatud tabelis 1.

Mobiilne valgustusseade
Valguse intensiivsus on tihedalt seotud põllukultuuride kasvuga. Kolmemõõtmelist kultiveerimist kasutatakse sageli taimetehastes. Kultiveerimisaluste konstruktsiooni piiratuse tõttu mõjutab valguse ja temperatuuri ebaühtlane jaotus aluspindade vahel aga põllukultuuride saagikust ning koristusperiood ei ole sünkroniseeritud. Pekingi ettevõte töötas 2010. aastal edukalt välja käsitsi tõstetava valgustiseadme (HPS-valgusti ja LED-kasvuvalgusti). Põhimõte seisneb selles, et väikese kilerulli pööramiseks käepidet raputades pööratakse ajamivõlli ja sellele kinnitatud kerimismehhanismi, et saavutada trossi sisse- ja lahtikerimise eesmärk. Kasvualuse tross on mitmete tagurdusrataste abil ühendatud elevaatori kerimisrattaga, et saavutada kasvualuse kõrguse reguleerimise efekt. 2017. aastal kavandas ja arendas eespool nimetatud ettevõte uue mobiilse valgustiseadme, mis suudab valgusti kõrgust reaalajas automaatselt vastavalt põllukultuuri kasvuvajadustele reguleerida. Reguleerimisseade on nüüd paigaldatud kolmekihilisele valgusallikaga tõstetüüpi kolmemõõtmelisele kultiveerimisalusele. Seadme pealmine kiht on parima valgustingimustega, seega on see varustatud kõrgsurve-naatriumlampidega; keskmine ja alumine kiht on varustatud LED-kasvulampide ja kõrguse reguleerimise süsteemiga. See suudab kasvulampide kõrgust automaatselt reguleerida, et tagada põllukultuuridele sobiv valguskeskkond.

Võrreldes kolmemõõtmeliseks kasvatamiseks kohandatud mobiilse valgustusseadmega on Holland välja töötanud horisontaalselt liigutatava LED-kasvuvalgusti. Selleks, et vältida kasvuvalgusti varju mõju taimede kasvule päikese käes, saab kasvuvalgustisüsteemi teleskoopliuguri abil horisontaalselt kronsteini mõlemale küljele lükata, nii et päike pääseb taimedele täielikult; pilvise ja vihmase ilma päikesevalguseta päevadel lükake kasvuvalgustisüsteem kronsteini keskele, et kasvuvalgustisüsteemi valgus kataks taimi ühtlaselt; liigutage kasvuvalgustisüsteemi kronsteini liuguri abil horisontaalselt, vältides kasvuvalgustisüsteemi sagedast lahtivõtmist ja eemaldamist ning vähendades töötajate töömahukust, parandades seeläbi tõhusalt töö efektiivsust.

Tüüpilise kasvuvalgustussüsteemi disainiideed
Mobiilse valgustusseadme konstruktsioonist pole raske näha, et tehase lisavalgustussüsteemi konstruktsioonis võetakse tavaliselt disaini põhisisuks erinevate põllukultuuride kasvuperioodide valguse intensiivsuse, valguse kvaliteedi ja fotoperioodi parameetrid, tuginedes intelligentsele juhtimissüsteemile, et saavutada energiasäästu ja suure saagikuse lõppeesmärk.

Praegu on lehtköögiviljade lisavalgustuse disain ja konstruktsioon järk-järgult küpsemaks muutunud. Näiteks lehtköögiviljad saab jagada neljaks staadiumiks: seemikustaadium, keskmise kasvuga staadium, hilise kasvuga staadium ja lõppstaadium; puu- ja köögiviljad saab jagada seemikustaadiumiks, vegetatiivseks kasvustaadiumiks, õitsemise staadiumiks ja koristamise staadiumiks. Lisavalguse intensiivsuse omaduste põhjal peaks seemikustaadiumis valguse intensiivsus olema veidi madalam, 60–200 μmol/(m²·s), ja seejärel järk-järgult suurenema. Lehtköögiviljadel võib see ulatuda kuni 100–200 μmol/(m²·s) ja puu- ja köögiviljadel 300–500 μmol/(m²·s), et tagada taimede fotosünteesi valgustugevuse nõuded igal kasvuperioodil ja rahuldada suure saagikuse vajadused; valguse kvaliteedi osas on punase ja sinise suhe väga oluline. Seemikute kvaliteedi parandamiseks ja liigse kasvu vältimiseks seemikustaadiumis seatakse punase ja sinise suhe üldiselt madalale tasemele [(1–2):1] ja seejärel vähendatakse seda järk-järgult, et rahuldada taimede valgusmorfoloogia vajadusi. Punase ja sinise ning lehtköögiviljade suhe võib olla (3–6):1. Fotoperiood, sarnaselt valguse intensiivsusega, peaks näitama kasvuperioodi pikenemisega suurenemistrendi, et lehtköögiviljadel oleks fotosünteesiks rohkem fotosünteesi aega. Puu- ja köögiviljade valguslisa kujundamine on keerulisem. Lisaks eespool nimetatud põhiseadustele peaksime keskenduma fotoperioodi määramisele õitsemisperioodil ning soodustama köögiviljade õitsemist ja viljakandumist, et vältida tagasilööke.

Väärib märkimist, et valgusvalem peaks sisaldama ka valguskeskkonna lõpptöötlust. Näiteks pidev valguse lisamine võib oluliselt parandada hüdropooniliste lehtköögiviljade seemikute saagikust ja kvaliteeti või UV-töötlusega saab oluliselt parandada idandite ja lehtköögiviljade (eriti lillade lehtede ja punase lehtsalati) toiteväärtust.

Lisaks valitud põllukultuuride valgustamise optimeerimisele on viimastel aastatel kiiresti arenenud ka mõnede tehisvalgustusega taimede tehaste valgusallika juhtimissüsteem. See juhtimissüsteem põhineb üldiselt B/S-struktuuril. Keskkonnategurite, näiteks temperatuuri, niiskuse, valguse ja CO2 kontsentratsiooni, kaugjuhtimine ja automaatne juhtimine põllukultuuride kasvu ajal toimub WiFi kaudu, võimaldades samal ajal tootmismeetodit, mida ei piira välised tingimused. Selline intelligentne lisavalgustussüsteem kasutab LED-kasvulampi lisavalgustusallikana koos kaugjuhtimisega intelligentse juhtimissüsteemiga, mis suudab rahuldada taimede lainepikkusega valgustuse vajadusi, sobib eriti hästi valgustatud taimede kasvatamise keskkonda ja turu nõudlusele.

Kokkuvõtvad märkused
Taimevabrikuid peetakse 21. sajandil oluliseks viisiks maailma ressursi-, rahvastiku- ja keskkonnaprobleemide lahendamiseks ning oluliseks viisiks toiduga isevarustatuse saavutamiseks tulevastes kõrgtehnoloogilistes projektides. Uut tüüpi põllumajandusliku tootmismeetodina on taimevabrikud alles õppimis- ja kasvufaasis ning vajavad rohkem tähelepanu ja uurimistööd. See artikkel kirjeldab taimevabrikutes levinud lisavalgustusmeetodite omadusi ja eeliseid ning tutvustab tüüpiliste põllukultuuride lisavalgustussüsteemide disainiideid. Võrdluse abil pole keeruline leida, et tulla toime raskete ilmastikutingimuste, näiteks pideva pilvise ja uduvihma põhjustatud vähese valgusega ning tagada põllukultuuride kõrge ja stabiilne tootmine, on LED-kasvuvalgusallika seadmed kõige paremini kooskõlas praeguste arengusuundadega.

Tehaste edasine arengusuund peaks keskenduma uutele ülitäpsetele ja odavatele anduritele, kaugjuhtimisega ja reguleeritava spektriga valgustussüsteemidele ning ekspertjuhtimissüsteemidele. Samal ajal jätkavad tulevased tehased arengut odavate, intelligentsete ja isekohanduvate lahenduste suunas. LED-kasvuvalgusallikate kasutamine ja populariseerimine tagab tehasete keskkonna ülitäpse kontrolli. LED-valguskeskkonna reguleerimine on keeruline protsess, mis hõlmab valguse kvaliteedi, valgustugevuse ja fotoperioodi igakülgset reguleerimist. Asjaomased eksperdid ja teadlased peaksid läbi viima põhjalikke uuringuid, edendades LED-lisavalgustust tehisvalgustusega tehastes.