Växterna berättar vilket ljus de vill ha

I dagens växthus används så kallade natriumlampor, samma typ av lampor som i vanlig gatubelysning. De har normalt bara två lägen, på eller av.

– Allt är väldigt ”high tech” i moderna växthus utom just ljuset, säger Anna-Maria Carstensen, doktorand på Chalmers. Man styr till exempel temperaturen och näringstillförseln minutiöst. Men belysningen ligger långt efter när det gäller reglering.

Det ljusspektrum som natriumlamporna ger stämmer väldigt dåligt överens med det spektrum som växterna använder i fotosyntesen (se bild). Det blåa och röda ljuset som växterna behöver mest får de inte så mycket av. Däremot får de mycket infrarött ljus, vilket är rent skadligt för vissa grödor, och gult ljus, vilket växterna inte kan använda så mycket av.

Forskarna tolkar växternas signaler
I forskningsprojektet på Chalmers försöker man ta reda på hur mycket och vilken sorts ljus olika växter vill ha vid en viss tidpunkt. Det gör man genom att mäta vilka våglängder som skickas tillbaka av växterna, med hjälp av spektrometer. Växterna skickar tillbaka ljus på två olika sätt:

• Direkt reflektion, det vill säga ljus som studsar tillbaka utan att tas upp av bladen.

• Fluorescens, ett svagt ljus som växterna själva skickar ut. Det uppstår i fotosyntesen och består av andra våglängder än det ljus som tillfördes.

Genom att analysera dessa signaler kan forskarna fastställa vilket ljus växterna vill ha. Bilden nedan är bara ett ungefärligt diagram över fotosyntesen. I verkligen finns det stora variationer, bland annat beroende på vilken växt det är, var i utvecklingen den befinner sig, och hur varmt det är.

– Detta är obruten mark, säger Torsten Wik, docent i reglerteknik och ledare för forskningsprojektet. Det normala sättet för ta reda på hur växter reagerar på ljus är att ta manuella stickprov på bladen med specialutrustning. Vi gör analysen på distans och med hjälp av lampans styrmöjligheter. Det betyder att man kan mäta på ett helt bestånd av plantor och automatiskt få ett representativt medelvärde för vilket ljus de vill ha.

Plantornas svar ska styra belysningen
Målet med projektet är ett system som använder växternas svar för automatisk reglering av lamporna i växthus. Det naturliga solljuset skulle då kompletteras med lampljus så att den totala belysningen blir just den som växterna behöver, både med avseende på ljusstyrka och ljusspektrum.

Detta kan åstadkommas med hjälp av avancerade LED-lampor, som består av flera grupper av dimbara lysdioder med olika färgspektra. En sådan lampa kan programmeras så att den ger belysning som är skräddarsydd för växternas behov.

– Tekniken har en enorm potential för energibesparing, säger Torsten Wik. Vi räknar med att man kan spara ungefär 30 procent på att byta från natriumlampor till LED. Och man skulle kunna spara 20 procent genom att reglera ljusets intensitet och spektrum med vår metod. Detta betyder att enbart växthusen i Europa skulle kunna spara in lika mycket el som halva Sveriges elförbrukning.

Fakta: Flera möjliga miljöfördelar med metoden
• Halverad energiförbrukning. Enbart växthusen i Europa förbrukar lika mycket el som hela Sverige totalt, 160 terawatt-timmar per år.
• Minskat behov av kemikalier i växthusen. I dag använder man kemikalier till många växter för att de ska bli kompakta och inte för höga. Detta kan uppnås med rätt ljusspektrum i stället. Även smaken och hållbarheten hos grödorna kan påverkas med hjälp av ljuset.
• Minskat svinn i de kommersiella växthusen. I dag slängs ungefär 15 procent eftersom man ibland får större produktion än vad man har avsättning för. Genom ljusstyrning kan man både bromsa och gasa växternas tillväxt när det behövs.
• LED-lampor innehåller inte kvicksilver, till skillnad från natriumlampor.

Fakta om forskningen
Projektet har finansiering från Mistra, 6,5 miljoner kronor för fyra år. Det håller på till och med 2015, och forskarnas mål är att göra försök i kommersiella växthus inom projekttiden. Idag görs försöken med växter i laboratorium.

Forskarna har ansökt om två patent. Det ena handlar om optimering av belysningens ljusspektrum. Det andra handlar om vilken typ av ljus som gör att växter återhämtar sig så snabbt som möjligt när de har blivit stressade efter att ha fått för mycket eller fel typ av ljus.